專利名稱：驅動頻率可調的mems陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體裝置，具體涉及包含傳感器元件的裝置。
背景技術：
在過去，由于微機電系統(MEMS)裝置所展現的靈敏度、空間和時間分辨率及較低的功率要求，MEMS已經被證明在許多應用中是有效的解決方案。結果，已經開發了諸如加速度計、陀螺儀和壓力傳感器之類的基于MEMS的傳感器，以用于各種應用中。MEMS陀螺儀可以被配置為回轉質量裝置或振動裝置，二者都依賴于科里奧利效應，以便在由傳感器測量的裝置中產生角度變化。線性振蕩裝置相對于依賴于回轉質量的裝置具有許多優勢。在線性裝置中，引導被稱為科里奧利質量塊(Coriolis mass)的由彈簧支撐的質量塊進行線性振蕩運動。隨著MEMS裝置旋轉，科里奧利質量塊相對于感應電極旋轉。科里奧利質量塊的脫離平面旋轉從而改變了在感應電極與科里奧利質量塊之間的電容，其提供了旋轉角速度的指示。因為線性裝置包括振蕩質量塊，這種裝置展現出共振驅動頻率(f J。fdr隨在驅動平面中影響科里奧利質量塊運動的傳感器的多個部件而變化。因此，隨支撐科里奧利質量塊的多個機械彈簧以及用以賦予振蕩運動的部件而變化。通常，科里奧利質量塊的振蕩由梳齒裝置來實現。在梳齒裝置中，使科里奧利質量塊上的板與基部部件上的板交錯。隨著將電壓施加到基部部件板上，將科里奧利質量塊移位。科里奧利質量塊上的梳齒驅動的力在整個質量塊的振蕩運動中相對恒定。因此，4上的梳齒驅動的影響是可忽略不計的。這樣，線性 MEMS陀螺儀的4主要隨驅動平面中機械彈簧而變化。因為當傳感器受到旋轉時，科里奧利質量塊隨著質量塊旋轉脫離平面而振蕩，由傳感器檢測到的科里奧利質量塊脫離平面的運動(檢測運動)也展現了共振頻率(fdrt)。 fdet隨通過脫離平面旋轉而支撐科里奧利質量塊的多個機械彈簧，以及由檢測部件施加在科里奧利質量塊上的力而變化。如上所述，檢測部件通常是電極，其與科里奧利質量塊一起構成電容器。電極在科里奧利質量塊上的力隨施加到電極的電壓而變化，其具有與機械彈簧的符號相反符號的彈簧常數。電極對科里奧利質量塊的影響不可忽略不計。將^與丨-相匹配有助于優化MEMS傳感器的信噪比(S·)。然而，制造工藝不允許在傳感器裝置中對多個力進行充分的控制，以便在共振頻率之間提供預期的一致性。因此，因為可以通過修改施加的電壓而容易地修改檢測電極對科里奧利質量塊的影響，通常用機械部件的fdrt比4高的機械部件來構成MEMS裝置。結果，可以修改fdrt的電氣部件以便將fdrt調諧到、。已經開發了使用微調(trim)或電極電壓(Udf)來調諧fdet的多種方案。在一個方案中，提供了分離的感應(檢測)和微調電極，并將恒定^if施加到微調電極。可替換地，可以作為時間復用信號將微調電壓施加到用于檢測科里奧利質量塊脫離平面運動的同一電極。
盡管以多個已知方案來修改fdet是有效的，但上述多個方案需要在裝置的檢測側增加電壓。在傳感器的檢測側增加電壓增加了為允許檢測到科里奧利質量塊脫離平面運動而在傳感器輸出上所需的調節的復雜性。例如，施加脈沖化Udf導致額外的噪聲。另外，因為將^if施加到位于科里奧利質量塊之下的電極向科里奧利質量塊施加了引力，增大了科里奧利質量塊中寄生機械模振動的可能性。能夠感測科里奧利質量塊脫離平面運動的傳感器是有用的。這種系統使。與4 相匹配的能力會是有用的。無需向裝置的檢測側施加附加電壓的情況下允許fdrt與、相匹配的裝置會是有益的。
發明內容
根據一個實施例，驅動頻率可調的MEMS傳感器包括質量塊；被配置為在平面內驅動質量塊的質量塊驅動部件；支撐質量塊的多個非線性彈簧；第一調諧器，其可操作地連接到所述多個非線性彈簧，以便響應于微調電壓而修改所述多個非線性彈簧的應力狀態；以及微調電路，與所述第一調諧器電耦合，以便提供微調電壓。根據另一個實施例，一種操作微機電系統(MEMQ裝置的方法包括在具有多個非線性彈簧的基底上支撐質量塊；在平面內驅動所述質量塊；向第一調諧器提供微調電壓； 以及用所述第一調諧器修改所述多個非線性彈簧的應力狀態。在另一個實施例中，一種微機電系統(MEMS)裝置包括基底；所述基底上的電極； 位于所述電極上的質量塊；在所述電極上支撐所述質量塊的多個非線性彈簧；驅動裝置， 被配置為響應于驅動信號而沿著平面驅動所述質量塊；以及至少一個調諧器，物理連接到所述多個非線性彈簧中的至少一個，以便響應于微調信號而修改所述多個非線性彈簧中的所述至少一個的應力。
圖1描繪了 MEMS傳感器的俯視圖，該MEMS傳感器被配置為使用調諧器調諧線性振蕩的科里奧利質量塊的共振驅動頻率，所述調諧器包括位于用于在感應電極之上支撐科里奧利質量塊的彈簧之間的交錯的梳齒；圖2描繪了圖1的裝置的局部透視圖，示出了包括調諧器、兩個非線性彈簧和錨的微調系統中的調諧器系統中的一個；圖3描繪了線性和非線性彈簧的力/位移曲線圖；及圖4描繪了 MEMS傳感器的俯視圖，該MEMS傳感器被配置為使用調諧器調諧線性振蕩的科里奧利質量塊的共振驅動頻率，所述調諧器包括位于定位在科里奧利質量塊的開口內的彈簧之間的交錯的梳齒。
具體實施例方式圖1中示出了微機電系統(MEMS)裝置100。裝置100包括基底102、驅動電子電路104、感應電子電路106和微調電子電路108。驅動電子電路104連接到驅動裝置110、 112、114、116、118、120、122 和 124。驅動裝置110、112、114和116包括梳齒，所述梳齒與位于感應電極1 之上的科里奧利質量塊126上的梳齒交錯。感應電極1 連接到感應電子電路106。驅動裝置118、 120、122和IM包括梳齒，所述梳齒與位于感應電極132之上的科里奧利質量塊130上的梳齒交錯。科里奧利質量塊130由耦合彈簧134連接到質量塊126，感應電極132連接到感應電子電路106。質量塊126的每個角都由各自的調諧器系統140、142、144或146支撐，質量塊130 的每個角都由各自的調諧器系統148、150、152或IM支撐。調諧器系統140包括調諧器 160，其通過彈簧162連接到質量塊126。彈簧164位于調諧器160與錨166之間。錨166 固定附接到基底102和彈簧164，以支撐質量塊126。類似地，調諧器系統142包括調諧器170，其通過彈簧172連接到質量塊126。彈簧 174位于調諧器170與錨176之間。錨176固定附接到基底102和彈簧174，以支撐質量塊 126。另外，調諧器系統144包括調諧器180，其通過彈簧182連接到質量塊126。彈簧184 位于調諧器180與錨186之間。錨186固定附接到基底102和彈簧184，以支撐質量塊126。 最后，調諧器系統146包括調諧器190，其通過彈簧192連接到質量塊126。彈簧194位于調諧器190與錨196之間。錨196固定附接到基底102和彈簧194，以支撐質量塊126。類似地在電極132上支撐質量塊130。具體地，調諧器系統148包括調諧器200， 其通過彈簧202連接到質量塊130。彈簧204位于調諧器200與錨206之間。錨206固定附接到基底102和彈簧204，以支撐質量塊130。類似地，調諧器系統150包括調諧器210，其通過彈簧212連接到質量塊130。彈簧 214位于調諧器210與錨216之間。錨216固定附接到基底102和彈簧214，以支撐質量塊 130。另外，調諧器系統152包括調諧器220，其通過彈簧222連接到質量塊130。彈簧224 位于調諧器220與錨2 之間。錨2 固定附接到基底102和彈簧224，以支撐質量塊130。 最后，調諧器系統IM包括調諧器230，其通過彈簧232連接到質量塊130。彈簧234位于調諧器230與錨236之間。錨236固定附接到基底102和彈簧234，以支撐質量塊130。圖2描繪了裝置100的局部透視圖，示出調諧器系統140。在這個實施例中，彈簧 162和彈簧164通常是卵形彈簧。如有需要，也可以使用其他對稱的彈簧形狀。彈簧162和 164連接到調諧器160的浮動部250。浮動部250包括多個梳齒252，其與位于調諧器160 的基部256和258上的梳齒2M交錯。基部256和258固定附接到基底102。在這個實施例中，基部256和258由導電材料制成，并由跡線沈0電耦合到微調電子電路108。微調電子電路108和調諧器系統140、142、144、146、148、150、152和IM包括用于裝置100的微調系統。在運行中，驅動電子電路104(圖1)選擇性地向驅動裝置110、112、114、116、118、 120、122和IM施加驅動信號。作為響應，驅動裝置110、112、114和116驅動質量塊126進入往來于質量塊130的線性振蕩。另外，驅動裝置118、120、122和IM驅動質量塊130進入往來于質量塊126的線性振蕩。在很大程度上，裝置100的運行類似于其他陀螺儀裝置。 其他陀螺儀與裝置100之間的主要差別是使用微調系統來修改裝置100的4。具體地，微調電子電路108向調諧器系統140、142、144、146、148、150、152和154 提供微調信號。參考圖2和調諧器系統140，通過跡線260向調諧器160的基部256和258 提供微調電壓。通過基部256和258將電壓傳送到梳齒254，導致力施加到浮動部250的梳齒252上。施加的力使得浮動部250在箭頭沈2的方向上偏移(be biased)。因此，彈簧
7164朝向錨166偏移，將彈簧164壓縮。另外，彈簧162從質量塊1 偏離，使得彈簧162拉伸。彈簧162的偏移使得來自調諧器160的力通過質量塊1 傳送到其他調諧器系統 142、144和146中的每一個。另外，調諧器系統148、150、152和154通過質量塊130和耦合彈簧134連接到質量塊126。然而因為微調系統的力平衡，質量塊1 和質量塊130在位置上不受微調系統的影響。舉例而言，由于以與前文調諧器系統140的描述基本上相同的方式使彈簧172處于壓縮中，由彈簧162的壓縮而施加在質量塊1 上的偏移與調諧器系統 142中彈簧172施加在質量塊1 上的相等但反向的力相抵消(be countered)。因此，調諧器系統140、142、144、146、148、150、152 和 154 用于預壓彈簧 162、164、 172、174、182、184、192、194、202、204、212、214、222、224、232 和 236。選擇施加的預壓量以便將調諧到fdrt。在前述實施例中通過選擇相對每單位外加力展現出非線性位移的彈簧來實現、的修改。示例性地，圖3描繪了在施加到所選彈簧的力的量與所選彈簧產生的位移之間的關系的曲線圖270。線272描繪了示例性線性彈簧的力/位移關系。給定彈簧的彈簧常數與該彈簧的力/位移曲線的一階導數相關。因此，因為線272是線性的，該線性彈簧的彈簧常數不隨著壓縮彈簧而改變。然而，示例性的非線性彈簧生成力/位移曲線274。相應地，曲線274在位置276 處的導數相對較小，而曲線274在位置278處的導數相對較大。因此，通過控制施加到彈簧的預壓力可以修改非線性彈簧的彈簧常數。因此，通過選擇和預壓用于將科里奧利質量塊支撐在電極之上的非線性彈簧，可以修改裝置的4以匹配裝置的fdet。如果需要的話，可以通過在調諧器系統中包括多于一個調諧器來提供額外的調諧自由度，每一個調諧器都通過彈簧與調諧器系統中的其他調諧器分離。如果希望的話，用于分離調諧器的彈簧可以是非線性彈簧。如果希望的話，可以修改調諧系統的位置。舉例而言，圖4描繪了 MEMS裝置300， 其基本上類似于圖1的MEMS裝置100，除了調諧系統的位置。具體地，在MEMS裝置300中， 每一個質量塊302和304分別包括開口 306和308。調諧器系統310和312位于開口 306 和308內。調諧器系統310和312相同，參考調諧器系統312來更充分地加以說明。調諧器系統312包括錨314和兩個調諧器316與318。每一個調諧器316和318 都與調諧器160、170、180、190、200、210、220和230相同。調諧器316通過彈簧320連接到開口 308的一端，并通過彈簧322連接到錨314。調諧器318沿著質量塊304的振蕩軸通過彈簧3M連接到開口 308的與連接到彈簧322的一端相反的一端，并且調諧器318通過彈簧326連接到錨314。MEMS裝置30的運行類似于MEMS裝置100的運行。但因為調諧器系統310和312 位于質量塊302和304的振蕩軸上，質量塊302和質量塊304在位置上不受微調系統的影響。因此，微調系統的力平衡。盡管在附圖及在前說明中詳細示出并描述了本發明，但其在性質上應被認為是說明性的而非限制性的。應當理解，僅僅介紹了優選實施例，并且旨在保護在本發明的精神范圍內的所有變化、修改及進一步的應用。
權利要求
1.一種傳感器裝置，包括 質量塊；質量塊驅動部件，被配置為在平面內驅動所述質量塊； 多個非線性彈簧，支撐所述質量塊；第一調諧器，可操作地連接到所述多個非線性彈簧，以便響應于微調電壓而修改所述多個非線性彈簧的應力狀態；以及微調電路，與所述第一調諧器電耦合，以便提供所述微調電壓。
2.如權利要求1所述的裝置，進一步包括附接到基底的第一錨，其中所述多個非線性彈簧中的第一彈簧附接到所述第一錨和所述第一調諧器的第一部分；所述多個非線性彈簧中的第二彈簧附接到所述質量塊和所述第一調諧器的所述第一部分；并且所述調諧器的第二部分固定附接到所述基底。
3.如權利要求2所述的裝置，進一步包括第二調諧器，具有第一部分和第二部分，所述第二部分固定附接到所述基底； 第二錨，附接到所述基底；所述多個非線性彈簧中的第三彈簧，附接到所述第二錨和所述第二調諧器的所述第一部分；以及所述多個非線性彈簧中的第四彈簧，附接到所述質量塊和所述第二調諧器的所述第一部分。
4.如權利要求3所述的裝置，其中 沿著振蕩軸驅動所述質量塊；所述第二彈簧附接到所述質量塊的第一末端部分；并且所述第四彈簧附接到所述質量塊的第二末端部分，所述質量塊的所述第一末端部分在所述質量塊的所述第二末端部分沿著所述振蕩軸的相對側。
5.如權利要求1所述的裝置，進一步包括附接到基底的第一錨，其中所述多個非線性彈簧中的第一彈簧附接到所述第一錨和所述第一調諧器的第一部分；所述多個非線性彈簧中的第二彈簧附接到所述第一調諧器的所述第一部分和第二調諧器的第一部分；并且所述多個非線性彈簧中的第三彈簧附接到所述質量塊和所述第二調諧器的所述第一部分。
6.如權利要求1所述的裝置，所述第一調諧器包括 第一多個梳齒；以及第二多個梳齒，與所述第一多個梳齒交錯。
7.一種操作微機電系統(MEMS)裝置的方法，包括 在具有多個非線性彈簧的基底之上支撐質量塊； 在平面內驅動所述質量塊；向第一調諧器提供微調電壓；以及利用所述第一調諧器修改所述多個非線性彈簧的應力狀態。
8.如權利要求7所述的方法，進一步包括利用所述第一調諧器將所述多個非線性彈簧中的第一彈簧朝向第一錨偏移；以及利用所述第一調諧器使所述多個非線性彈簧中的第二彈簧偏離所述質量塊。
9.如權利要求8所述的方法，進一步包括利用第二調諧器將所述多個非線性彈簧中的第三彈簧朝向第二錨偏移；以及利用所述第二調諧器使所述多個非線性彈簧中的第四彈簧偏離所述質量塊。
10.如權利要求9所述的方法，其中使所述第四彈簧偏離所述質量塊包括 將所述第四彈簧朝向所述第二彈簧偏移。
11.如權利要求7所述的方法，進一步包括利用第二調諧器修改所述多個非線性彈簧的應力狀態。
12.如權利要求7所述的方法，其中修改所述多個非線性彈簧的應力狀態包括 向所述第一調諧器中的第一多個梳齒施加電壓。
13.一種微機電系統(MEMS)裝置，包括 基底；所述基底上的電極； 位于所述電極之上的質量塊； 在所述電極之上支撐所述質量塊的多個非線性彈簧； 驅動裝置，被配置為響應于驅動信號而沿著平面驅動所述質量塊；以及至少一個調諧器，物理連接到所述多個非線性彈簧中的至少一個，以便響應于微調信號而修改所述多個非線性彈簧中的所述至少一個的應力。
14.如權利要求13所述的MEMS裝置，其中所述多個非線性彈簧包括第一彈簧，該第一彈簧支撐所述質量塊的第一末端部分； 以及第二彈簧，該第二彈簧支撐所述質量塊的第二末端部分；并且所述至少一個調諧器包括第一調諧器，該第一調諧器物理連接到所述第一彈簧；以及第二調諧器，該第二調諧器物理連接到所述第二彈簧。
15.如權利要求14所述的MEMS裝置，其中所述多個非線性彈簧包括；第三彈簧，該第三彈簧支撐所述質量塊的所述第一末端部分；以及第四彈簧，該第四彈簧支撐所述質量塊的所述第二末端部分。
16.如權利要求15所述的MEMS裝置，其中所述至少一個調諧器包括第三調諧器，該第三調諧器物理連接到所述第三彈簧；以及第四調諧器，該第四調諧器物理連接到所述第四彈簧。
17.如權利要求16所述的MEMS裝置，其中 所述第一彈簧支撐所述質量塊的第一角部分； 所述第二彈簧支撐所述質量塊的第二角部分；所述第三彈簧支撐所述質量塊的第三角部分；并且所述第四彈簧支撐所述質量塊的第四角部分；
18.如權利要求17所述的MEMS裝置，其中所述第一彈簧連接到所述質量塊的所述第一角部分；所述第二彈簧連接到所述質量塊的所述第二角部分； 所述第三彈簧連接到所述質量塊的所述第三角部分；并且所述第四彈簧連接到所述質量塊的所述第四角部分。
19.如權利要求17所述的MEMS裝置，進一步包括 第一錨，固定附接到所述基底，并支撐所述第一彈簧； 第二錨，固定附接到所述基底，并支撐所述第二彈簧；第三錨，固定附接到所述基底，并支撐所述第三彈簧；以及第四錨，固定附接到所述基底，并支撐所述第四彈簧。
20.如權利要求13所述的MEMS裝置，其中，所述第一調諧器包括 第一多個梳齒；以及第二多個梳齒，與所述第一多個梳齒交錯。
全文摘要
在一個實施例中，驅動頻率可調的MEMS傳感器包括質量塊；被配置為在平面內驅動質量塊的質量塊驅動部件；支撐質量塊的多個非線性彈簧；第一調諧器，其可操作地連接到所述多個非線性彈簧，以便響應于微調電壓而修改所述多個非線性彈簧的應力狀態；以及微調電路，與所述第一調諧器電耦合，以便提供微調電壓。
文檔編號G01C19/56GK102356300SQ201080012253
公開日2012年2月15日 申請日期2010年2月10日 優先權日2009年2月17日
發明者M·羅茨尼克 申請人:羅伯特·博世有限公司