含有陀螺仪和加速计的微机电设备制造技术

本发明专利技术的实施例涉及一种含有陀螺仪和加速计的微机电设备。该微机电设备包括：支撑结构；两个感测质量体，根据第一轴和相应第二轴相对于所述支撑结构可移动；驱动设备，用于将感测质量体维持于相位相反的沿着第一轴的振荡；感测单元，用于供应感测信号，感测信号指示感测质量体分别根据相应第二轴的移位；处理部件，用于组合感测信号以便：在第一感测模式中放大感测质量体的协调移位对感测信号的影响并且衰减不协调移位的影响；并且在第二感测模式中放大感测质量体的不协调移位对感测信号的影响并且衰减协调移位的影响。

【技术实现步骤摘要】
含有陀螺仪和加速计的微机电设备
本专利技术涉及一种集成了陀螺仪和加速计的微机电设备。
技术介绍
正如所知，微机电系统(MEMS)的使用已经持续扩展至各种
，并且已经尤其在用于广泛应用的惯性传感器、微集成陀螺仪和机电振荡器的生产中产生令人鼓舞的结果。这一类的MEMS通常基于包括至少一个质量体的微机电结构，该质量体(mass)通过弹性件连接到支撑体(定子)并且根据预设自由度相对于定子可移动。通过多个相应梳齿形并且相互相对的电极来电容性耦合可移动质量体和定子以便形成电容器。可移动质量体相对于定子的移动例如因外部应力而修改电容器的电容，从而有可能追溯至可移动质量体相对于固定体的相对移位，并且因此追溯至施加的力。反言之，通过施加适当偏置电压，有可能向可移动质量体施加静电力以将它设置于运动。另外，为了获得机电振荡器，利用谐振频率来研究惯性MEMS结构的频率响应，该频率响应通常为二阶低通型。具体而言，MEMS加速计利用如下事实：可移动质量体沿着一个或者多个感测轴的移位与定子受到的沿着相同轴的加速分量的幅度相关。如上文提到的那样，弹性件的弹性动作抵消这些移位，并且可以通过电容性耦合的变化来感测这些移位。MEMS陀螺仪具有更复杂的机电结构，该结构通常包括相对于定子可移动并且耦合在一起以便具有相对自由度的两个质量体。两个可移动质量体均电容性耦合到定子。质量体之一专用于驱动并且保持于具有受控幅度的以谐振频率的振荡。另一质量体在振荡(平移或者旋转)运动中被驱动，并且在微结构以角速率相对于预设陀螺轴旋转的情况下受到与角速率本身成比例的科里奥利力。在实践中，如同驱动质量体一样通过电极来电容性耦合到固定体的受驱动质量体作为加速计来操作，该加速计实现感测科里奥利力和加速并且因此使得有可能追溯至角速率。在一些情况下，单个质量体被约束至定子以便以两个独立自由度相对于定子本身可移动。驱动设备根据自由度之一将可移动质量体维持于受控振荡。由于科里奥利力，可移动质量体然后可以响应于定子绕感测轴的旋转而根据另一自由度移动。在若干应用中，设备或者系统的一部分的平移和旋转移动的正确感测呈现增加的重要性，并且需要越来越复杂的解决方案。出于这一原因，已经推动制造商向讨论的设备装配各种类型的传感器、加速计和陀螺仪以便同时供应加速和角速率的测量。目前提供可能在同一个封装中提供的不同设备。然而该解决方案带来在总体尺度方面和在消耗水平方面(即关于认识到在现代微电子业中关键的方面)的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种实现克服上文描述的限制并且具体而言紧凑和通用的微机电设备。根据本专利技术，提供一种微机电设备。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在将完全通过非限制例子并且参照以下附图描述其一些实施例：-图1是根据本专利技术一个实施例的微机电设备的简化框图；-图2是图1的设备的部件的简化俯视平面图；-图3是图2的部件的放大细节的示意表示；-图4是图1的设备的细节的简化电布线图；-图5a示出了关于图4的细节的电学量和相同细节在第一操作配置中的示意平面图；-图5b示出了关于图4的细节的电学量和相同细节在第二操作配置中的示意平面图；-图6图示了根据本专利技术一个实施例的电子系统的部分；-图6a是在第一感测模式中关于将图2的部件耦合到图1的设备的感测接口的电布线图；-图6b是在第二感测模式中关于将图2的部件耦合到图1的设备的感测接口的电布线图；-图7是根据本专利技术第二实施例的微机电设备的部件的简化俯视平面图；-图8a是图7的部件在第一操作配置中的放大细节的简化前视图；-图8b是图7的部件在第二操作配置中的放大细节的简化前视图；-图9根据本专利技术一个实施例的微机电设备的简化框图；-图10是图9的设备的部件的简化俯视平面图；并且-图11是根据本专利技术一个实施例的含有微机电传感器的电子系统的简化框图。具体实施方式参照图1，集成有加速计和陀螺仪的功能的微机电设备1包括微结构2、驱动设备3、读取设备5和控制单元6。如下文将说明的那样，微结构2包括活动元件，这些元件由驱动设备3保持于受控振荡运动，并且分别实现感测微结构2的根据第一感测轴和第二感测轴的加速和旋转。这里并且下文将分别根据允许质量体按照相应自由度的移动是平移还是旋转来使用表达“根据轴”指示沿着轴或者绕着轴的移动。类似地，将使用表达“根据自由度”指示如按照自由度本身允许的平移或者旋转移动。微结构2还向读取设备5供应感测信号，这些感测信号被处理以获得加速信号SA和旋转信号SΩ。感测信号(在一个实施例中是差分电荷包(packet))分别指示微结构2沿着第一感测轴的加速和微结构2绕着第二感测轴的旋转。读取设备5被配置成分别使用第一处理模式和第二处理模式根据微结构2供应的感测信号获得加速信号SA和旋转信号SΩ并且出于这一目的而由控制单元6控制。读取设备包括路由级7、感测接口8(在描述的实施例中是全差分切换电容器电荷放大器)、选择器9、加速处理链10和旋转链11。路由级7将微结构2耦合到感测接口8的输入端子并且建立耦合在第一处理模式中和在第二处理模式中的相应不同模态。控制单元6例如可以通过选择信号SEL选择耦合模态。感测接口8将从微结构2接收的感测信号组合成通过选择器9在第一处理模式中向加速处理链10而在第二处理模式中向旋转处理链11供应的换能信号。此外，通过选择信号SEL控制选择器9。加速处理链10和旋转处理链11被配置成以本身已知的方式从感测接口8接收的信号分别提取加速信号SA和旋转信号SΩ。控制单元6循环地选择第一处理模式和第二处理模式，从而加速信号SA和旋转信号SΩ的更新值将持续可用。备选地，控制单元6可以接收根据需要确定处理模式的外部命令。在一个实施例中，如图2中所示制作微结构2，并且微结构2包括支撑结构12、第一感测质量体13a和第二感测质量体13b。第一感测质量体13a和第二感测质量体13b与彼此相同，并且相对于支撑结构12可移动。更具体而言，感测质量体13a、13b通过弹性悬置元件14a的相应系统被约束至支撑结构12，这些元件实现沿着与彼此垂直并且均与支撑结构12的表面平行的第一轴X和第二轴Y的移动。代之以防止感测质量体13a、13b沿着与轴X、Y并且与支撑结构12的表面垂直的第三轴Z的移动。可选地，可以通过又一弹性元件14b相互耦合感测质量体13a、13b以改进驱动。另外，驱动设备3的部分集成于微结构2中。具体而言，驱动单元15以对称方式耦合到感测质量体13a、13b。驱动单元15包括例如在梳齿形配置中相互电容性耦合的固定驱动电极16和可移动驱动电极17。在支撑结构12上提供固定驱动电极16，而相应感测质量体13a、13b承载可移动驱动电极17。另外，以当在固定驱动电极16与可移动驱动电极17之间施加静电力时引起感测质量体13a、13b沿着驱动轴(例如轴X)的移位这样的方式配置驱动单元15。微结构2还包括用于感测质量体13a、13b中的每个质量体的至少一个感测单元18。感测质量体13a、13b通过感测单元18电容性耦合到支撑结构12。更具体而言，每个感测单元18包括锚定到支撑结构12的第一和第二固定感测电极19a、19b以及锚定到相应感测质量体13a、13b并且插入于相应第一固定感测电极19a与第二固定感测电极19b之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电设备，包括：支撑结构(12；112；212)；第一感测质量体(13a；113a；213a)和第二感测质量体(13b；113b；213b)，均根据第一轴(X；X，Y)并且各自根据与所述第一轴(X；X，Y)垂直的相应第二轴(Y；Ra，Rb；Y，X，Ra，Rb，Rc，Rd)相对于所述支撑结构(12；112；212)可移动；驱动设备(3)，配置成将所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)维持于相位相反的沿着所述第一轴(X；X，Y)的振荡；第一感测组和第二感测组(18；118；218，220)，配置成供应感测信号(S(Ca1)?S(Cb2)；S(Ca1)?S(Cd4))，所述感测信号(S(Ca1)?S(Cb2)；S(Ca1)?S(Cd4))指示所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)分别根据所述相应第二轴(Y；Ra，Rb；Y，X，Z，Ra，Rb，Rc，Rd)的移位；处理部件(7，8)，配置成在第一感测模式中和在第二感测模式中组合所述感测信号(SCa1?SCb2；SCa1?SCd4)以便：在所述第一感测模式中，放大所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的协调移位对所述感测信号(S(Ca1)?S(Cb2)；S(Ca1)?S(Cd4))的影响并且衰减所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的不协调移位的影响；并且在所述第二感测模式中，放大所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的不协调移位对所述感测信号(S(Ca1)?S(Cb2)；S(Ca1)?S(Cd4))的影响并且衰减所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的协调移位的影响。...

【技术特征摘要】
2011.09.12 IT TO2011A0008061.一种微机电设备，包括：支撑结构(12；112；212)；第一感测质量体(13a；113a；213a)和第二感测质量体(13b；113b；213b)，均根据第一轴(X；X，Y)并且各自根据与所述第一轴(X；X，Y)垂直的相应第二轴(Y；Ra，Rb；Y，X，Ra，Rb，Rc，Rd)相对于所述支撑结构(12；112；212)可移动；驱动设备(3)，配置成将所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)维持于相位相反的沿着所述第一轴(X；X，Y)的振荡；第一感测组和第二感测组(18；118；218，220)，配置成供应感测信号(S(Ca1)-S(Cb2)；S(Ca1)-S(Cd4))，所述感测信号(S(Ca1)-S(Cb2)；S(Ca1)-S(Cd4))指示所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)分别根据所述相应第二轴(Y；Ra，Rb；Y，X，Z，Ra，Rb，Rc，Rd)的移位；处理部件(7，8)，配置成在第一感测模式中和在第二感测模式中组合所述感测信号(SCa1-SCb2；SCa1-SCd4)以便：在所述第一感测模式中，放大所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的协调移位对所述感测信号(S(Ca1)-S(Cb2)；S(Ca1)-S(Cd4))的影响并且衰减所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的不协调移位的影响；并且在所述第二感测模式中，放大所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的不协调移位对所述感测信号(S(Ca1)-S(Cb2)；S(Ca1)-S(Cd4))的影响并且衰减所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的协调移位的影响。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理部件(7，8)被配置成组合所述感测信号(SCa1-SCb2；SCa1-SCd4)以便：在所述第一感测模式中，增添所述支撑结构(12；112；212)沿着与所述第一轴(X；X，Y)垂直的感测轴(Y；Z；Y，X，Z)的加速所引起的所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的移位对所述感测信号(S(Ca1)-S(Cb2)；S(Ca1)-S(Cd4))的影响，并且衰减所述支撑结构(12；112；212)绕着与所述第一轴(X；X，Y)垂直的第三轴(Z；Y；Z，X，Y)的旋转所引起的所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的移位与沿所述第一轴(X；X，Y)的所述振荡的组合对所述感测信号(S(Ca1)-S(Cb2)；S(Ca1)-S(Cd4))的影响；并且在所述第二感测模式中，增添所述支撑结构(12；112；212)绕着所述第三轴(Z；Y；Z，X，Y)的旋转所引起的所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的移位与沿所述第一轴(X；X，Y)的所述振荡的组合对所述感测信号(S(Ca1)-S(Cb2)；S(Ca1)-S(Cd4))的影响，并且衰减所述支撑结构(12；112；212)根据所述感测轴(Y；Z；Y，X，Z)的加速所引起的所述第一感测质量体(13a；113a；213a)和所述第二感测质量体(13b；113b；213b)的移位对所述感测信号(S(Ca1)-S(Cb2)；S(Ca1)-S(Cd4))的影响。3.根据权利要求1或者2所述的设备，其中所述第一感测组和所述第二感测组(18；118；218，220)为电容型，并且配置成响应于所述第一感测质量体(13...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·希莫尼，C·瓦尔扎希纳，
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：