[发明专利]具有频率调节和对正交误差的静电消除的MEMS陀螺仪

说明书

本公开涉及具有频率调节和对正交误差的静电消除的MEMS陀螺仪。具体为一种MEMS陀螺仪(60，100)，其中，悬挂质量块(111‑114)相对于支撑结构(125，127)可移动。该可移动质量块受正交力矩引起的正交误差的影响；驱动结构(77)耦合至该悬挂质量块以便以驱动频率控制该可移动质量块在驱动方向上的移动。耦合至该可移动质量块的运动感测电极(130)检测该可移动质量块在感测方向上的移动，并且正交补偿电极(121‑124)耦合至该可移动质量块以便生成与该正交力矩相反的补偿力矩。该陀螺仪被配置成用于使用补偿电压来对这些正交补偿电极进行偏置，从而使得该可移动质量块的谐振频率与该驱动频率之差具有预设频率失配值。

技术领域

本发明涉及一种具有频率调节和静电正交误差消除的MEMS陀螺仪。

背景技术

如已知的，微机电系统(Microelectromechanical System，MEMS)凭借其小尺寸、与消费者应用兼容的成本和增加的可靠性而越来越多地用于各种应用。具体地，形成了如使用这种技术的微集成陀螺仪和机电振荡器等惯性传感器。

这种类型的MEMS设备通常包括支撑体和通过弹簧或“弯曲部”而悬挂在支撑体之上并耦合至支撑体的至少一个可移动质量块。弹簧被配置用于使可移动质量块能够根据一个或多个自由度相对于支撑体振荡。可移动质量块电容地耦合至支撑体上的多个固定电极，从而形成具有可变电容的电容器。当MEMS设备作为传感器而进行操作时，可移动质量块相对于支撑体上的固定电极的移动由于作用于其上的力的作用而修改电容器的电容。这种变化允许检测可移动质量块相对于支撑体的位移，并且根据后者，可以检测已经引起位移的外力。相反，当MEMS设备作为致动器而进行操作时，例如通过单独的一组致动或驱动电极向可移动质量块施加适当的偏置电压，从而使得可移动质量块经受引起期望移动的静电力。

在MEMS传感器当中，具体地，陀螺仪具有复杂机电结构，该结构通常包括相对于支撑体可移动的至少两个质量块，该至少两个质量块彼此耦合以便具有多个自由度(这取决于系统的架构)。在大多数情况下，每个可移动质量块具有一个或最多两个自由度。可移动质量块通过固定感测电极和可移动感测电极以及通过致动电极或驱动电极而电容地耦合至支撑体。

在具有两个可移动质量块的实施方式中，第一可移动质量块专用于驱动并且以受控振荡振幅以谐振频率保持振荡。第二可移动质量块通过具有(平移或旋转)振荡运动的第一可移动质量块来驱动，并且当微结构绕陀螺仪的轴以一定角速度旋转时，该第二可移动质量块经受与角速度本身成比例的并且垂直于驱动方向的科里奥利力(Coriolis Force)。在实践中，第二(被驱动的)可移动质量块充当加速度计，该加速度计使得能够检测科里奥利力以及检测角速度。

在另一实施方式中，单个悬挂质量块耦合至支撑体以便相对于支撑体根据两个独立的自由度(即，驱动自由度和感测自由度)可移动。感测自由度可以使得能够沿可移动质量块的平面移动(平面内移动)或者垂直于该平面移动(平面外移动)。致动或驱动设备使悬挂质量块根据这两个自由度之一保持受控振荡。悬挂质量块响应于支撑体的旋转(由于科里奥利力)基于另一个自由度移动。

然而，MEMS陀螺仪具有复杂结构，并且例如由于生产缺陷和工艺扩展而频繁出现悬挂质量块与支撑体之间的非理想机电相互作用。因此，有用信号分量与寄生分量混合，寄生分量对角速度的测量没有贡献并且是潜在的噪声源，这些噪声源的影响是不可预见的。

例如，悬挂质量块与支撑本体之间的弹性连接的缺点可能引起悬挂质量块在并不与设计阶段中所期望的自由度完全一致的方向上的振荡。这种缺陷还可能引起具有沿角速度的检测自由度定向的分量的力的开始。这种力进而生成具有未知振幅的、频率与载波的频率相同的并且具有引起被称为“正交误差”的误差的90°相移的信号分量。

可以从分别表示理想陀螺仪1(图1A)的和经受正交误差的非理想陀螺仪1’(图1B)的移动的图1A和图1B的比较中理解这种影响，其中，仅关于下文中所讨论的零件而示意性地表示了陀螺仪1，1’。