帶有正交誤差補償的角速率傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及帶有正交誤差補償的角速率傳感器。角速率傳感器（20）包括柔性地耦合到襯底（22）的驅動塊(36)。傳感塊(42)懸浮于襯底（22）之上并通過柔性支撐元件(44)柔性地與驅動塊(36)相連接。正交補償電極(24)與驅動塊(36)相關聯以及傳感電極(28)與傳感塊(42)相關聯。驅動塊(36)和傳感塊(42)響應于正交誤差相對于傳感軸(50)振蕩。正交誤差在正交補償電極(24)和驅動塊(36)之間產生信號誤差分量(78)以及在傳感電極(28)和傳感塊(42)之間產生信號誤差分量(76)。補償和傳感電極（24、28）以相反極性耦合以便信號誤差分量(78)基本上抵消信號誤差分量(76)。
【專利說明】帶有正交誤差補償的角速率傳感器
【技術領域】
[0001]本發明通常涉及微機電系統(MEMS)設備。更具體地，本發明涉及帶有正交誤差補償的MEMS角速率傳感器。
【背景技術】
[0002]近年來，微機電系統(MEMS)技術廣為應用，這是因為它提供了一種制作非常小的機械結構并且通過使用傳統批量半導體加工技術將這些結構集成在一個單一襯底上的方式。MEMS的一個普通應用是傳感器設備的設計和制造。MEMS傳感器廣泛應用于各種應用中，例如汽車、慣性制導系統、家用電器、游戲設備、各種各樣設備的保護系統、以及很多其它工業的、科學的和工程系統。MEMS傳感器的一個例子是MEMS角速率傳感器。或者被稱為“陀螺儀”、“陀螺測試儀”、“振蕩速率陀螺儀”、“陀螺儀傳感器”、或者“偏航速率傳感器”，角速率傳感器感應了繞著一個或者多個軸的角速度或速率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0003]結合附圖并參閱詳細說明以及權利要求，對本發明會有一個比較完整的理解。其中在附圖中類似的參考符號表示類似的元件，以及:
[0004]圖1示出根據一個實施例的角速率傳感器的俯視圖；
[0005]圖2示出角速率傳感器沿著圖1中的剖面線2-2的側視圖；
[0006]圖3示出表示圖1中的角速率傳感器的正交補償特征的方程式表格；
[0007]圖4示出根據另一個實施例的角速率傳感器的俯視圖；以及
[0008]圖5不出圖4中的角速率傳感器一部分的放大視圖。
【具體實施方式】
[0009]在振蕩角速率傳感器中，一個固有問題是被稱為正交分量或者正交誤差的不期望的干擾信號的存在。由于允許傳感塊繞著一個不與傳感軸正交的軸振蕩的制造缺陷，正交誤差出現在振蕩角速率傳感器中。這產生了一個繞著傳感軸可以與科里奧利加速度混淆并且隨后與旋轉速率混淆的振蕩。不幸的是，正交誤差會導致設備偏移誤差、減小的動態范圍、以及增強的噪聲。一個大的正交誤差甚至可以造成一個設備失靈，以使得傳感器質量接觸到導電電極，就可能導致與碰撞有關的損害，例如一個短路。
[0010]在一些現有技術設備中，為了補償或以其它方式消除正交信號，可通過與正交誤差有反相關系的正交補償電極施加一個靜電力。雖然應用一個靜電力可以抑制正交誤差造成的機械運動，但該技術需要對于正交補償電極的相對較大電壓、較大分配區域、和/或正交誤差和靜電補償力之間的精確相位匹配。在其它現有技術設備中，一個消除信號可被應用于特定用途集成電路(ASIC)的前端以消除正交信號。這樣一項技術可消除大正交誤差，而不應用一個靜電力。然而，機械正交運動仍存在，而且必須在正交誤差信號和消除信號之間做出精確匹配以有效地消除正交誤差。[0011]本發明所公開的實施例包括以角速率傳感器形式的微機電系統(MEMS)設備；在該角速率傳感器中實施正交補償技術。已經確定，當一個角速率傳感器經歷正交運動時，驅動塊和傳感塊響應該正交運動一起運動。根據本發明所公開的實施例，正交補償電極與驅動塊相關聯地被添加。正交補償電極以反向極性與傳感電極耦合。通過將正交補償電極以反向極性與傳感電極耦合，由于正交誤差的電容輸出將會明顯減小，因此補償了正交誤差。因此，正交誤差補償在不使用靜電力的情況下實現。
[0012]參照圖1和圖2，圖1根據一個實施例，示出一個MEMS角速率傳感器20的俯視圖，以及圖2示出角速率傳感器20沿著圖1中的剖面線2-2的側視圖。圖2通過各種底紋和/或影線說明以更加清晰地區分在角速率傳感器20的構造層內產生的不同元件。角速率傳感器20的構造層中的不同元件可通過利用當前或即將出現的沉積、形成圖案、蝕刻等等的表面微加工技術生產。因此，雖然在插圖中應用不同的底紋和/或影線，構造層中不同元件和互連通常由相同的材料形成，例如多晶硅、單晶硅等等。
[0013]角速率傳感器20的元件(下面將會討論)可被不同地描述為“附著于”、“附著有”、“耦合到”、“固定到”或者“互連有”角速率傳感器20的其它元件。然而，應了解這些術語指代MEMS角速率傳感器20的特定元件的直接或間接的物理連接，該連接在其通過MEMS制造的形成圖案和刻蝕過程的形成期間發生。
[0014]角速率傳感器20包括襯底22、以及導電板24、26、28和30，即電極，可固定地安裝到或以其它方式形成在襯底22的一個表面32上。結構34稱合到并懸浮于襯底22的表面32上。結構34位于導電板24、26、28和30上面以便導電板24、26、28和30被布置于結構34和襯底22的表面32之間。因此，導電板24、26、28和30在傳感器20的俯視圖中被遮蓋，因此在圖1中用虛線表示。結構34包括通過錨40，用柔性支撐元件38，例如彈簧，被柔性地附著于襯底22的表面32的驅動塊36。結構34還包括位于穿過驅動塊36延伸的口內的傳感塊42。傳感塊42通過柔性支撐元件，即扭曲部分44，附著于驅動塊36。
[0015]為了操作角速率傳感器20，與驅動塊36連通的驅動系統(為了便于說明未顯示)使得驅動塊36在一個平行于襯底22的表面32在一個在本發明被稱為驅動軸46的第一旋轉軸周圍進行機械振蕩，正如通過一個雙向箭頭45所表示的。同樣地，驅動軸垂直于表面32。在這個例子中，驅動軸是一個三維坐標系中的Z軸46。因此，Z軸46在本發明被稱為與角速率傳感器20有關的驅動軸46。由于扭曲部分44對這個運動的高勁度，傳感塊42和驅動塊46在驅動軸46周圍一起振蕩。振蕩的驅動運動45可保持不變以維持角速率傳感器20的恒定敏感度。或者，振蕩的頻率可以被鎖定到驅動塊36的機械共振以最小化驅動功率。
[0016]一旦傳感塊42進入在驅動軸46周圍的振蕩45，它可以檢測一個角速率，即由角速率傳感器20繞著在本發明被稱為輸入軸的第二旋轉軸旋轉引起的角速率。在這個例子中，輸入軸是三維坐標系中的Y軸48。因此，Y軸48在本發明被稱為與角速率傳感器20有關的輸入軸48。隨著角速率傳感器20經歷一個繞著輸入軸48的角速率，傳感塊42繞著在本發明被稱為傳感軸的第三旋轉軸振蕩。在這個例子中，傳感軸是三維坐標系中的X軸50。因此，X軸50在本發明被稱為與角速率傳感器20有關的傳感軸50。尤其，一個科里奧利加速度在垂直于驅動軸46和輸入軸48 二者的傳感軸50周圍產生。科里奧利加速度導致傳感塊42在傳感軸50周圍的平面外運動，正如實線箭頭51所表示的，其中平面外運動51有一個與傳感器20繞著輸入軸48的角旋轉速率成正比的幅度。
[0017]在一個實施例中，傳感軸50 (即第三旋轉軸)將傳感塊36分割成位于傳感軸50的一側的第一區域52和位于傳感軸50的對側的第二區域54。同樣地，傳感軸50將傳感塊42分割成位于傳感軸50的一側的第三區域56和位于傳感軸50的對側的第四區域58。因此，第一和第三區域52和56分別被橫向布置于傳感軸50的第一側60以及第二和第四區域54和58分別被橫向布置于傳感軸50的第二側62。
[0018]襯底22可包括被一個或多個絕緣層(未顯示)覆蓋的半導體層(未顯示)。該半導體層通常是一個硅晶片；在其上面，與角速率傳感器20相關聯的電子元件在某些情況下通過傳統制造技術也可被制造。該絕緣層可能包括玻璃、二氧化硅、氮化硅或其它兼容性材料。導電板24可形成于驅動塊36的第一區域52下面的半導體層中，以及導電板26可形成于傳感塊42的第三區域56下面的半導體層中。類似地，導電板28可形成于傳感塊42的第四區域58下面的半導體層中，以及導電板30可形成于傳感塊42的第二區域54下面的半導體層中。
[0019]導電板24和30通過其在驅動塊36下面的位置與驅動塊36相關聯，以及導電板26和28通過其在傳感塊42下面的位置與傳感塊42相關聯。根據一個特定實施例，由于正如在上面所描述的科里奧利加速度，導電板26和28作為傳感電極被實施以用于感應傳感塊42在傳感軸50周圍的傳感運動51。同樣地,導電板26可替換地在本發明被稱為第一傳感電極26 (通過使用向下并向右定向的寬影線被說明)以及導電板28可替換地在本發明被稱為第二傳感電極28 (通過使用向上并向右定向的寬影線被說明)。此外，導電板24和30作為與驅動塊36相關聯的正交補償電極被實施，其目的在下面將被詳細描述。同樣地，導電板24可替換地在本發明被稱為第一正交補償電極24 (通過使用向上并向右定向的窄影線被說明)以及導電板30可替換地在本發明被稱為第二正交補償電極30 (通過使用向下并向右定向的窄影線被說明)。本發明所使用的術語“第一”、“第二”等等不指代元件在可數元件系列內的一個排序或優先地位。相反，為了清晰的討論，術語“第一”、“第二”等等在本發明被使用以區分相似或相關的元件，例如傳感電極26和28、正交補償電極24和30等
坐寸ο
[0020]導體可以形成在襯底26上面以便為導電板24、26、28和30以及傳感塊42提供電連接。根據一個特定實施例，第一導體64將布置于位于傳感軸50的第一側60的驅動塊36的第一區域52之下的第一補償電極24電耦合于布置于位于傳感軸50的第二側62的傳感塊42的第四區域58之下的第二傳感電極28。此外,第二導體66將布置于位于傳感軸50的第二側62的驅動塊36的第二區域54之下的第二正交補償電極30電耦合于布置于位于傳感軸50的第一側60的傳感塊42的第三區域56之下的第一傳感電極26。
[0021]在所說明的實施例中，正輸出端子68 (標示為“SMU+”)通過第一導體64和第一正交補償電極24耦合于第二傳感電極28。同樣地，負輸出端子70 (標示為“SMU-”)通過第二導體66和第二正交補償電極30稱合于第一傳感電極26。因此,第二傳感電極28可被認為是角速率傳感器20的正傳感極，而第一補償電極24可被認為是角速率傳感器20的負補償極。類似地，第一傳感電極26可被認為是角速率傳感器20的負傳感極，而第二補償電極30可被認為是角速率傳感器20的正補償極。
[0022]為了說明的目的，第一、第二導體64和66以及正和負輸出端子68和70分別地以圖表的形成被表示。本領域所屬技術人員將很容易地認識到在實踐中，根據當前和即將出現的制造工藝，第一和第二導體64和66以及端子68和70將適當地被形成為襯底22的表面32上的軌跡和/或導電盤和/或形成于襯底22的底層內。此外，電極24、26、28和30由一種導電材料例如多晶硅形成，并且可以同時被形成為各導體，如果相同材料被選擇用于這種元件。此外，電極24、26、28和30以及導體64、66、以及端子68和70被描述為附著于或以其它方式形成于襯底22的表面32。在替代實施例中，正如上述所描述的，電極24、26、28和30可在其各自的第一、第二、第三和第四區域52、54、56和58固定地附著于驅動塊36或傳感塊42上，其中導體64和66以及端子68和70與導體24、26、28和30電連通。這樣的配置可包括或不包括形成于襯底22的表面32的附加電極或導電區域(未顯示)。
[0023]第一正交補償電極24和第二傳感電極28的電稱合及其在傳感軸50相對兩側的各自的位置導致了電極24和28以反向極性被電耦合。類似地，第二正交補償電極30和第一傳感電極26的電稱合以及它們在傳感軸50相對兩側的各自的位置導致了電極26和30以反向極性被電耦合。
[0024]通常，隨著傳感塊42經歷在傳感軸50周圍的平面外運動的振蕩，位置變化由第一和第二傳感電極26和28被感應為電容變化。在第一和第二電極26和28被感應的電容變化以傳統的方式被電處理以獲得角速率傳感器20繞著輸入軸48的角速率。然而，應想到響應正交誤差，驅動塊36和傳感塊42在傳感軸50周圍一起振蕩。驅動塊36和傳感塊42二者由于正交誤差的運動通過箭頭71被表示。該正交誤差在第一和第二正交補償電極24和30中的每一個以及第一和第二傳感電極26和28中的每一個中產生信號誤差分量。第一正交補償電極24和第二傳感電極28的反向極性耦合、以及第二正交補償電極30和第一傳感電極26的反向極性耦合導致了各自的誤差分量的抵消。
[0025]參照圖3，結合圖1和圖2，圖3示出表示圖1中的角速率傳感器的正交補償特征的方程式表格。輸出信號72,例如在正輸出端子68 (SMU+)的電容是標不為“CR(2) ”的科里奧利響應74加上在第二傳感電極28標示為“QE(2) ”的正交誤差分量76、減去在第一正交補償電極24標示為“QE(1)”的正交誤差分量78的函數。此外，輸出信號80，例如在負輸出端子70 (SMU-)的電容是標示為“CR(1) ”的科里奧利響應82加上在第一傳感電極26標示為“QE(4) ”的正交誤差分量84、減去在第二正交補償電極30標示為“QE(3) ”的正交誤差分量86的函數。
[0026]通過第一正交補償電極24和第二傳感電極28的反向極性電耦合，在第一正交補償電極24的正交誤差分量78基本上抵消了在第二傳感電極28的正交誤差分量76。此外，通過第二正交補償電極30和第一傳感電極26的反向極性耦合，在第二正交補償電極30的正交誤差分量86基本上抵消了在第一傳感電極26的正交誤差分量84。因此,在第一和第二傳感電極26和28的正交誤差可以基本上被消除，而不使用更多功率密集和復雜靜電力技術和/或不應用消除信號。
[0027]為了便于說明，角速率傳感器20僅僅被提供有兩對導電板(例如，正交補償電極24和30以及傳感電極26和28)。然而，應了解在替代實施例中，如果與驅動塊相關聯的正交補償電極以反向極性耦合于傳感電極，附加電極形狀、大小和類型可為特定設計實施。此夕卜，角速率傳感器20包括通常是矩形的驅動塊和圓形的傳感塊。然而，在替代實施例中，驅動塊和/或傳感塊可以有不同形狀，例如圓環、圓盤等等。[0028]參照圖4和圖5，圖4根據另一個實施例，示出角速率傳感器90的俯視圖，以及圖5示出角速率傳感器90的一個部分的放大視圖。角速率傳感器90在被配置以感應繞著Z軸46的角速率的單軸傳感器中例示了正交補償技術。因此，結合角速率傳感器90，Z軸46被稱為輸入軸46。角速率傳感器90的各種元件通過底紋或影線被說明以彼此更好的區分開。根據傳統制造技術，各種元件可通過沉積、形成圖案和刻蝕工藝同時形成，因此，很可能由相同材料例如多晶硅制成。
[0029]角速率傳感器90包括分割開的驅動塊體系，以第一驅動塊92和與第一驅動塊92橫向布置的第二驅動塊94的形式。第一和第二驅動塊92和94通過錨98，用柔性支撐元件96,例如彈簧,被柔性地附著以便懸浮于襯底22的表面32上。此外,第一和第二驅動塊92和94通過柔性的元件100彼此耦連。角速率傳感器90還包括在位于穿過第一驅動塊92延伸的口 104、或凹口部分內的第一傳感塊102以及位于穿過第二驅動塊94延伸的口 108、或凹口部分內的第二傳感塊106。第一傳感塊102懸浮于襯底22的表面32上方并且通過柔性支撐兀件110被連接到第一驅動塊92。第二傳感塊106懸浮于襯底22的表面32上方并且通過柔性支撐元件112被連接到第二驅動塊94。
[0030]多個第一正交補償電極114 (通過使用向右并向上定向的窄影線被說明)固定地附著于襯底22上并且與第一和第二驅動塊92和94中的每一個相關聯。第二正交補償電極116 (通過使用向右并向下定向的窄影線被說明)也固定地附著于襯底22上并且與第一和第二驅動塊92和94中的每一個相關聯。第一和第二補償電極114和116對位于穿過第一驅動塊92延伸的多個口 118中的每一個中，以及第一和第二補償電極114和116對位于穿過第二驅動塊94延伸的多個口 120中的每一個中。
[0031]正如在圖5中更清楚地看到的，每一個口 118和120包括位于口 118和120相對縱向兩側的第一驅動塊邊緣122和第二驅動塊邊緣124。在每一個口 118和120中，第一補償電極114被橫向離開第一驅動塊邊緣122布置以形成位于電極114和第一驅動塊邊緣122之間的間隙126。此外，在每一個口 118和120內，第二補償電極116被橫向離開第二驅動塊邊緣124布置以形成位于電極116和第二驅動塊邊緣124之間的間隙128。第一和第二正交補償電極114和116的縱長尺寸以及口 118和120縱向上與驅動軸一致，即平行于驅動軸，在本實施例中是X軸50。因此，結合角速率傳感器90，X軸50被稱為驅動軸50。應注意口 120，包括其正交補償電極114和116，相對于口 118顯示為翻裝(flip)對稱，口 118包括其正交補償電極114和116。同樣地，在圖4中所說明的定向中，每一個口 118的第一驅動塊邊緣122位于其相應的第二驅動塊邊緣124下面，然而每一個口 120的第一驅動塊邊緣122位于其相應的第二驅動塊邊緣124上面。同樣地，正交補償電極114和116在口120中相對于其在口 118中的位置是翻裝關系。
[0032]第一傳感電極130 (通過使用向右并向上定向的寬影線被說明)固定地附著于襯底22并且與第一和第二傳感塊102和106中每一個相關聯。第二傳感電極132(通過使用向右并向下定向的寬影線被說明)也固定地附著于襯底22并且與第一和第二傳感塊102和106中每一個相關聯。第一和第二傳感電極130和132對位于穿過第一傳感塊102延伸的多個口 134中每一個中，以及第一和第二傳感電極130和132對位于穿過第二傳感塊106延伸的多個口 136中每一個中。
[0033]正如在圖5中更清楚地看到的，每一個口 134和136包括位于口 134和136相對縱向兩側的第一傳感塊邊緣138和第二傳感塊邊緣140。在每一個口 134和136中，第一傳感電極130被橫向離開第二傳感塊邊緣140布置以形成位于電極130和第二驅動塊邊緣140之間的間隙144。此外，在每一個口 134和136中，第二傳感電極132被橫向離開第一驅動塊邊緣138布置以形成位于電極132和第一傳感塊邊緣138之間的間隙142。第一和第二傳感電極130和132的縱長尺寸以及口 134和136縱向上與驅動軸50 —致，即平行于驅動軸50。應注意口 136，包括其第一和第二傳感電極130和132，相對于口 134顯示為翻裝對稱，口 134包括其第一和第二傳感電極130和132。同樣地，在圖4和圖5中所說明的定向中，每一個口 134的第二傳感塊邊緣140位于其相應的第一傳感塊邊緣138上方，然而每一個口 136的第二傳感塊邊緣140位于其相應的第一傳感塊邊緣138下方。同樣地，傳感電極130和132在口 136中相對于其在口 134中的位置是翻裝關系。
[0034]導體可以在襯底22上面形成以提供相反極性的電連接。根據一個特定實施例，第一導體146將布置于第一和第二驅動塊92和94中每一個中的口 118和120的第一驅動塊邊緣122旁邊的第一正交補償電極114電耦合于布置于口 134和136的第二傳感塊邊緣140旁邊的第一傳感電極130。此外，第二導體148將布置于第一和第二驅動塊92和94中每一個中的口 118和120的第二驅動塊邊緣124旁邊的第二正交補償電極116電耦合于布置于口 134和136的第一傳感塊邊緣138旁邊的第二傳感電極132。
[0035]在所說明的實施例中，正輸出端子150 (標示為“SMU+”)通過第一導體146耦合于第一傳感電極130和第一正交補償電極114。同樣地，負輸出端子152 (標示為“SMU-”)通過第二導體148稱合于第二傳感電極132和第二正交補償電極116。因此,第一傳感電極130可被認為是角速率傳感器90的正傳感極，第一正交補償電極114是角速率傳感器90的負補償極。此外，第二傳感電極132可被認為是角速率傳感器90的負傳感極，第二正交補償電極116是角速率傳感器90的正補償極。
[0036]第一正交補償電極114和第一傳感電極130的電耦合及其各自的翻裝位置導致了電極114和130以反向極性電耦合。同樣地，第二正交補償電極116和第二傳感電極132的電耦合及其各自的翻裝位置導致了電極116和132以反向極性電耦合。
[0037]為了操作角速率傳感器90，與第一和第二驅動塊92和94連通的驅動系統(為了便于說明未顯示)使得驅動塊92和94在平行于襯底22的表面32的平面內進行機械線性振蕩，正如通過相反指示箭頭154所表示的。因此，第一和第二驅動塊92和94沿著驅動軸50線性振蕩。第一和第二驅動塊92和94適當地被連接到一起和/或以其它方式適當地被驅動以在相反方向，即，反相，沿著驅動軸50運動。由于柔性支撐元件110對這個運動的高勁度，第一傳感塊102和第一驅動塊92沿著驅動軸50 —起線性振蕩。同樣地，由于柔性支撐元件112對這個運動的高勁度，第二傳感塊106和第二驅動塊94沿著驅動軸50 —起線性振蕩。因此，第一和第二驅動塊92和94相對于彼此，在相反方向，即，反相，沿著驅動軸50運動。
[0038]一旦第一傳感塊102和106進入沿著驅動軸50的線性振蕩移動中，角速率傳感器90可以檢測角速率，即由角速率傳感器90繞著在本發明被稱為輸入軸的旋轉軸旋轉引起的角速度。在這個例子中，輸入軸是垂直于襯底22的表面32的Z軸46。因此，Z軸46在本發明被稱為與角速率傳感器90有關的輸入軸46。隨著角速率傳感器90經歷繞著輸入軸46的角速度，第一和第二傳感塊102和106進入沿著在本發明被稱為傳感軸的第三旋轉軸線性振蕩運動。在這個例子中，傳感軸是Y軸48。因此，Y軸48在本發明被稱為與角速率傳感器90有關的傳感軸48。尤其，科里奧利加速度沿著垂直于驅動軸50和輸入軸46 二者的傳感軸48發生。科里奧利加速度導致第一和第二傳感塊102和106沿著傳感軸48的基本上線性運動，正如箭頭156所表示的，其中運動156有一個與傳感器90繞著輸入軸46的角旋速率成比例的幅度。
[0039]應該很容易地在圖5中注意到，當第一驅動塊92和第一傳感塊102沿著傳感軸48在第一方向，例如,相對于說明向上振蕩時,位于第一正交補償電極114和第一驅動邊緣122之間的間隙126的寬度相對于位于第二傳感塊邊緣140和第一傳感電極130之間的間隙144的寬度減小了。同時，位于第二正交補償電極116和第二驅動塊邊緣124之間的間隙128的寬度相對于位于第二傳感塊邊緣140和第一傳感電極130之間的間隙142的寬度增加了。當然，當第一驅動塊92和第一傳感塊102沿著傳感軸48在與第一方向相反的第二方向，例如，相對于說明向下振蕩時，間隙126和144之間以及間隙128和142之間的這種關系與上面所描述的相反。此外，由于第二驅動塊94和第二傳感塊104相對于第一驅動塊92和第一傳感塊102反相移動，第二驅動塊94和第二傳感塊106位置的變化以及間隙寬度的相應變化也將反相。
[0040]因此，隨著第一和第二傳感塊102和106沿著傳感軸48經歷線性振蕩運動，位置變化(即間隙寬度變化)通過第一和第二傳感電極130和132被感應為電容變化。在第一和第二電極130和132感應的電容變化以傳統的方式被電處理以獲得角速率傳感器90繞著輸入軸46的角速率。
[0041 ] 應想到第一驅動塊92和第一傳感塊102響應于正交誤差沿著傳感軸48 —起線性振蕩。同樣地，第二驅動塊94和第二傳感塊106也沿著傳感軸48響應于正交誤差一起線性振蕩。驅動塊92和94以及傳感塊102和106由于正交誤差的這種運動通過反向指示箭頭158表示。該正交誤差在每一個第一和第二正交補償電極114和116中的每一個以及第一和第二傳感電極130和132中的每一個中產生信號誤差分量。第一正交補償電極114和第一傳感電極130的相反極性耦合、以及第二正交補償電極116和第二傳感電極132的相反極性耦合導致了各誤差分量的抵消。
[0042]本發明所描述的實施例包括以角速率傳感器形式的微機電系統(MEMS)設備；在該角速率傳感器中實施了正交補償技術。根據本發明所公開的實施例，正交補償電極被與驅動塊相關聯地添加。正交補償電極以相反極性耦合于與傳感塊相關聯的傳感電極。當角速率傳感器經歷正交運動時，驅動塊和傳感塊響應該正交運動一起運動。通過將正交補償電極以相反極性耦合于傳感電極，由于驅動塊的正交運動在正交補償電極感應的正交誤差信號分量基本上抵消了由于傳感塊的正交運動在傳感塊感應的正交誤差信號分量。因此。由于正交誤差的電容輸出將會減小以補償正交誤差。因此，正交誤差補償在不使用靜電力的情況下實現。
[0043]角速率傳感器的一個實施例包括襯底、柔性地耦合于所述襯底的驅動塊、以及懸浮于所述襯底上方并通過柔性支撐元件柔性地與驅動塊相連接的傳感塊。第一電極與驅動塊相關聯以及第二電極與傳感塊相關聯。第二電極以相反極性電耦合于第一電極以便第一電極和驅動塊之間的第一誤差分量基本上抵消了第二電極和傳感塊之間的第二誤差分量。
[0044]一種補償角速率傳感器中的正交誤差的方法的一個實施例，其中角速率傳感器包括柔性地耦合于襯底的驅動塊和懸浮于襯底之上并通過柔性支撐元件柔性地與驅動塊相連接的傳感塊，包括布置鄰近驅動塊的補償電極，布置鄰近傳感塊的傳感電極，以及以相反極性電耦合補償電極和傳感電極以便補償電極和驅動塊之間的第一誤差分量基本上抵消第二電極和傳感塊之間的第二誤差分量。根據另一個實施例，其中補償電極是第一補償電極，傳感電極是第一傳感電極，以及該方法還包括布置鄰近驅動塊的第二補償電極，布置鄰近所述傳感塊的第二傳感電極，以及以相反極性電耦合第二補償電極和第二傳感電極以便第二補償電極和驅動塊之間的第三誤差分量基本上抵消第二傳感電極和傳感塊之間的第四誤差分量。
[0045]雖然本發明的優選實施例被詳細說明和描述，很明顯對于本領域所屬技術人員來說在不脫離本發明精神及附屬權利要求范圍的情況下可以做出各種修改。例如，驅動塊和/或傳感塊可以有不同形狀，例如圓環、圓盤、矩形等等。此外，驅動塊和傳感塊可被排列成與所顯示的不同。例如，傳感塊可位于中心，另一個傳感塊可形成外框架結構，以及驅動塊可被插入到兩個傳感塊之間。此外，雖然本發明所討論的實施例是單軸設計，相同的技術也可被應用于多軸設計。根據本發明所描述的實施例，結構上的這種變化將仍包括與驅動塊相關聯的正交補償電極以及將正交補償電極以相反極性耦合于傳感電極。因此，應該了解示例實施例只是例子，并且不旨在限制本發明的范圍、適用性或配置。
【權利要求】
1.一種角速率傳感器，包括: 襯底； 柔性地耦合到所述襯底的驅動塊； 懸浮于所述襯底之上并通過柔性支撐元件柔性地與所述驅動塊相連接的傳感塊； 與所述驅動塊相關聯的第一電極；以及 與所述傳感塊相關聯的第二電極，所述第二電極與所述第一電極以相反極性電耦合以便所述第一電極和所述驅動塊之間的第一誤差分量基本上抵消所述第二電極和所述傳感塊之間的第二誤差分量。
2.根據權利要求1所述的角速率傳感器，其中: 所述驅動塊和所述傳感塊一起被配置以便相對于驅動軸以振蕩運動而運動； 所述柔性支撐元件使得所述傳感塊響應于繞著輸入軸的角速率，相對于垂直于所述驅動軸的傳感軸振蕩，其中所述輸入軸垂直于所述驅動軸和所述傳感軸中的每一個；以及所述驅動塊和所述傳感塊響應于正交誤差相對于所述傳感軸一起振蕩，所述正交誤差在所述第一電極處產生所述第一誤差分量以及在所述第二電極處產生所述第二誤差分量。
3.根據權利要求1所述的角速率傳感器，其中: 所述第一電極是正交補償電極；以及 所述第二電極是傳感電極。
4.根據權利要求1所述的角速 率傳感器，還包括與所述第二電極電耦合的正輸出端子，其中所述第二電極是所述角速率傳感器的正極以及所述第一電極是所述角速率傳感器的負極。
5.根據權利要求4所述的角速率傳感器，還包括: 與所述驅動塊相關聯的第三電極； 與所述傳感塊相關聯的第四電極，所述第四電極與所述第三電極電耦合；以及與所述第四電極電耦合的負輸出端子，其中所述第四電極是所述角速率傳感器的負極，以及所述第三電極是所述角速率傳感器的正極，以便所述驅動塊和所述第三電極之間的第三誤差分量基本上抵消所述傳感塊和所述第四電極之間的第四誤差分量。
6.根據權利要求1所述的角速率傳感器，其中: 所述驅動塊包括被平行于所述襯底的表面定向的旋轉軸隔開的第一區域和第二區域； 所述傳感塊包括被所述旋轉軸隔開的第三區域和第四區域，所述第一區域和第三區域被橫向置于所述旋轉軸的第一側，以及所述第二區域和第四區域被橫向置于所述旋轉軸的第二側； 所述第一電極被置于所述第一區域之下；以及 所述第二電極被置于所述第四區域之下。
7.根據權利要求6所述的角速率傳感器，其中: 所述第一電極固定地附著于所述驅動塊的所述第一區域或附著于所述第一區域之下的所述襯底；以及 所述第二電極固定地附著于所述傳感塊的所述第四區域或附著于所述傳感塊之下的所述襯底。
8.根據權利要求6所述角速率傳感器，還包括: 與所述驅動塊相關聯并且被置于所述第二區域之下的第三電極；以及與所述傳感塊相關聯并且被置于所述第三區域之下的第四電極，所述第三電極與所述第四電極耦合，以便所述驅動塊和所述第三電極之間的第三誤差分量基本上抵消所述傳感塊和所述第四電極之間的第四誤差分量。
9.根據權利要求6所述的角速率傳感器，其中所述旋轉軸是傳感軸，以及所述驅動塊和所述傳感塊一起被配置以便以在垂直于所述表面的驅動軸周圍的所述振蕩運動而運動，以及所述柔性支撐元件使得所述傳感塊響應于繞著垂直于所述驅動軸和所述傳感軸中每一個的輸入軸的角速率，在所述傳感軸周圍振蕩。
10.根據權利要求1所述的角速率傳感器，其中: 所述第一電極固定地附著于所述襯底，并且被橫向離開所述驅動塊的第一邊緣布置以形成位于所述第一電極和所述第一邊緣之間的第一間隙；以及 所述第二電極固定地附著于所述襯底，并且被橫向離開所述傳感塊的第二邊緣布置以形成位于所述第二電極和所述第二邊緣之間的第二間隙；以及 所述驅動塊和傳感塊一起被配置以便沿著驅動軸與所述襯底的表面基本上平行地運動，所述柔性支撐元件使得所述傳感塊響應于繞著垂直于所述襯底的所述表面的輸入軸的角速率，沿著垂直于所述驅動軸的傳感軸與所述襯底的所述表面基本上平行地振蕩。
11.根據權利要求10所述的角速率傳感器，其中: 所述第一電極和所述驅動塊的所述第一邊緣與所述驅動軸縱向一致；以及 所述第二電極和所述傳感塊的所述第二邊緣與所述驅動軸縱向一致。
12.根據權利要求10所述的角速率傳感器，其中: 所述第一間隙呈現第一寬度； 所述第二間隙呈現第二寬度； 所述驅動塊和所述傳感塊響應于正交誤差沿著所述傳感軸一起振蕩，所述正交誤差在所述第一電極處產生所述第一誤差分量以及在所述第二電極處產生所述第二誤差分量；當所述驅動塊和所述傳感塊沿著所述傳感軸在第一方向一起振蕩時，所述第一間隙寬度增加而所述第二間隙寬度減小，以及 當所述驅動塊和所述傳感塊在與所述第一方向相反的第二方向一起振蕩時，所述第一間隙寬度減小而所述第二間隙寬度增加。
13.一種補償角速率傳感器中的正交誤差的方法，所述角速率傳感器包括柔性地耦合到襯底的驅動塊和懸浮于所述襯底之上并通過柔性支撐元件柔性地與所述驅動塊相連接的傳感塊，所述方法包括: 布置鄰近所述驅動塊的補償電極； 布置鄰近所述傳感塊的傳感電極；以及 將所述補償電極與所述傳感電極以相反極性電耦合，以便所述補償電極和所述驅動塊之間的第一誤差分量基本上抵消所述傳感電極和所述傳感塊之間的第二誤差分量。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述補償電極是第一補償電極，所述傳感電極是第一傳感電極，并且所述方法還包括: 布置鄰近所述驅動塊的第二補償電極；布置鄰近所述傳感塊的第二傳感電極；以及 將所述第二補償電極與所述第二傳感電極以相反極性電耦合，以便所述第二補償電極和所述驅動塊之間的第三誤差分量基本上抵消所述第二傳感電極和所述傳感塊之間的第四誤差分量。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述角速率傳感器還包括正輸出端子和負輸出端子，并且所述方法還包括: 將所述正輸出端子與所述第一傳感電極電耦合，所述第一傳感電極是所述角速率傳感器的正傳感極，以及所述第一補償電極是所述角速率傳感器的負補償極；以及 將所述負輸出端子與所述第二傳感電極電耦合，所述第二傳感電極是所述角速率傳感器的負傳感極，以及所述第二補償電極是所述角速率傳感器的正補償極。
16.—種角速率傳感器,包括: 襯底； 柔性地耦合到所述襯底的驅動塊； 懸浮于所述襯底之上并通過柔性支撐元件與所述驅動塊柔性地連接的傳感塊，所述驅動塊和傳感塊以相對于驅動軸的振蕩運動一起運動，所述柔性支撐元件使得所述傳感塊響應于繞著輸入軸的角速度相對于垂直于所述驅動軸的傳感軸振蕩，其中所述輸入軸垂直于所述驅動軸和所述傳感軸中的每一個；以及所述驅動塊和傳感塊響應于正交誤差相對于所述傳感軸一起振蕩； 與所述驅動塊相關聯的正交 補償電極，所述正交誤差在所述正交補償電極處產生第一誤差分量； 與所述傳感塊相關聯的傳感電極，所述正交誤差在所述傳感電極處產生第二誤差分量，所述傳感電極與所述正交補償電極以相反極性電耦合，以便所述正交補償電極和所述驅動塊之間的所述第一誤差分量基本上抵消所述傳感電極和所述傳感塊之間的所述第二誤差分量；以及 與所述傳感電極電耦合的正輸出端子，其中所述傳感電極是所述角速率傳感器的正傳感極，以及所述正交補償電極是所述角速率傳感器的負補償極。
17.根據權利要求16所述的角速率傳感器，其中: 所述驅動塊包括被平行于所述襯底的表面定向的旋轉軸隔開的第一區域和第二區域； 所述傳感塊包括被所述旋轉軸隔開的第三區域和第四區域，所述第一區域和第三區域被橫向布置于所述旋轉軸的第一側，以及所述第二區域和第四區域被橫向布置于所述旋轉軸的第二側； 所述正交補償電極被布置于所述第一區域之下；以及 所述傳感電極被布置于所述第四區域之下。
18.根據權利要求17所述的角速率傳感器，其中所述正交補償電極是第一補償電極，所述傳感電極是第一傳感電極，并且所述角速率傳感器還包括: 第二補償電極，與所述驅動塊相關聯并且被布置在所述第二區域之下，所述正交誤差在所述驅動電極和所述第二補償電極之間產生第三誤差分量； 第二傳感電極，與所述傳感塊相關聯并且被布置在所述第三區域之下，所述正交誤差在所述傳感塊和所述第二傳感電極之間產生第四誤差分量，所述第二補償電極與所述第二傳感電極以相反極性耦合以便所述第三誤差分量基本上抵消所述第四誤差分量；以及 與所述第二傳感電極電耦合的負輸出端子，其中所述第二傳感電極是所述角速率傳感器的負傳感極，以及所述第二補償電極是所述角速率傳感器的正補償極。
19.根據權利要求16所述的角速率傳感器，其中: 所述正交補償電極固定地附著到所述襯底上，并且被橫向離開所述驅動塊的第一邊緣布置以便形成位于所述正交補償電極和所述第一邊緣之間的第一間隙；以及 所述第二電極固定地附著到所述襯底上，并且被橫向離開所述傳感塊的第二邊緣布置以便形成位于所述傳感電極和所述第二邊緣之間的第二間隙；以及 所述驅動塊和所述傳感塊一起被配置以便沿著驅動軸與所述襯底的表面基本上平行地運動，所述柔性支撐元件使得所述傳感塊響應于繞著垂直于所述襯底的所述表面的輸入軸的角速度，沿著垂直于所述驅動軸的傳感軸與所述襯底的所述表面基本上平行地振蕩。
20.根據權利要求19所述的角速率傳感器，其中: 所述第一間隙呈現第一寬度； 所述第二間隙呈現第二寬度； 當所述驅動塊和所述傳感塊響應于所述正交誤差沿著所述傳感軸在第一方向一起振蕩時，所述第一間隙寬度增加而所述第二間隙寬度減小，以及 當所述驅動塊和所述傳感塊響應于所述正交誤差在與所述第一方向相反的第二方向振蕩時，所述第一間隙寬度減 小而所述第二間隙寬度增加。
【文檔編號】G01C19/5762GK103542844SQ201310277351
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月4日 優先權日:2012年7月9日
【發明者】林義真 申請人:飛思卡爾半導體公司