[发明专利]电容式MEMS陀螺仪及其加快起振速度的方法

说明书

本发明提供了一种电容式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。

技术领域

本发明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。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System，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*V_ac*V_dc (1)

式中，C1为驱动电极在驱动方向上的电容变化率；V_ac为施加在可动极板上的交流信号；V_dc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。

发明内容

鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种电容式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。