mems陀螺仪
【技术领域】
1.本实用新型涉及微机电系统(micro-electro-mechanical system,mems)技术领域，尤其涉及一种mems陀螺仪。
背景技术：2.微微机陀螺仪可通过检测科里奥利力的大小来实现对角速度的检测。在驱动力作用下质量块沿着驱动方向发生谐振运动，当敏感到角速度输入时，由于科氏效应，质量块会沿着检测方向发生微小的位移。但由于加工误差的存在，使得质量块驱动方向的位移会被耦合进检测方向的位移，导致误差信号产生。该误差信号的相位与驱动位移相同，与科里奥利力信号相差九十度，因此被称作为正交误差。该正交误差严重影响检测精度，现有的方法无法完全消除。
3.因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。
技术实现要素：4.本实用新型的目的之一在于提供一种mems陀螺仪，其可以对误差进行很好的补偿，提高了产品生产良率。
5.根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种mems陀螺仪，其包括：驱动质量块，其内部定义形成有一空间；驱动电极，其驱动所述驱动质量块做往复运动；位于所述空间中的检测质量块；位于所述检测质量块下方的检测电极，其与所述检测质量块形成一检测电容，通过检测该所述检测电容的变化确定所述检测质量块的运动；耦接于所述驱动质量块上的第一补偿梁；耦接于所述第一补偿梁和所述检测质量块之间的第二补偿梁，其中所述检测质量块在所述驱动质量块的带动下与所述驱动质量块一起做往复运动；耦接于所述第一补偿梁上的至少一对补偿质量块，其中每对补偿质量块中的第一补偿质量块位于所述第一补偿梁的一侧，每对补偿质量块中的第二补偿质量块位于所述第一补偿梁的另一侧；位于所述至少一对补偿质量块下方的至少一对补偿电极，每对补偿电极包括位于对应的一对补偿质量块中的第一补偿质量块下方的第一补偿电极，以及位于对应的一对补偿质量块中的第二补偿质量块下方的第二补偿电极，通过在所述至少一对补偿电极的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，以进行误差补偿。
6.与现有技术相比，本实用新型中的mems陀螺仪，通过在所述至少一对补偿电极的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，能够通过第一补偿梁和第二补偿梁给所述检测质量块提供误差补偿力，以进行误差补偿。
【附图说明】
7.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其它的附图。其中：
8.图1是本实用新型中陀螺仪在一个实施例中的整体结构的示意图；
9.图2是本实用新型中的陀螺仪沿aa线的剖视结构侧视示意图，此状态下无正交误差；
10.图3是本实用新型中的陀螺仪沿aa线的剖视结构侧视示意图，此状态下存在正交误差；
11.图4是本实用新型中的陀螺仪沿aa线的剖视结构侧视示意图，此状态下存在正交误差且执行了正交误差补偿；
12.图5是本实用新型中的陀螺仪沿aa线的剖视结构侧视示意图，此状态下正交误差引起整体结构倾斜运动；
13.图6是本实用新型中的陀螺仪沿aa线的剖视结构侧视示意图，此状态下正交误差引起整体结构倾斜运动且执行了正交误差补偿。
【具体实施方式】
14.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
15.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
16.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。x轴、y轴和z轴为图中所示的坐标系中的三个轴，在其他实施例中，也可以根据需要设置坐标系的三个轴。本文中的“和/或”包括和以及或，比如a和/或b包括a，或者b，或者a和b三种情况。
17.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“耦接”等术语应做广义理解；例如，可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
18.针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种mems陀螺仪，其可以对误差进行很好的补偿，提高了产品生产良率。图1为本实用新型的mems陀螺仪在一个实施例中的结构示意图。
19.如图1所示的，所述mems陀螺仪包括内部定义形成有一空间的驱动质量块1、驱动所述驱动质量块1做往复运动的驱动电极3、位于所述空间中的检测质量块2、位于所述检测质量块下方的检测电极4、耦接于所述驱动质量块1上的第一补偿梁9、耦接于所述第一补偿梁9和所述检测质量块2之间的第二补偿梁13、耦接于所述第一补偿梁9上的至少一对补偿质量块11和位于所述至少一对补偿质量块11下方的至少一对补偿电极5。
20.在一个实施例中，所述检测质量块2包括位于边缘的检测梁8，第二补偿梁13耦接
于所述第一补偿梁9和所述检测梁8之间。所述的mems陀螺仪100还包括：固定于基体(未图示)上的锚点10和连接所述锚点10和所述驱动质量块1的驱动梁7。其中所述驱动质量块1、所述检测质量块2、所述补偿质量块11、第一补偿梁9、第二补偿梁13和驱动梁均悬置于所述基体上方，所述检测电极4和所述补偿电极5均设置于所述基体上。在图2-6中，仅仅示意性的示出了所述检测电极4和所述补偿电极5，并未示出基体，实际上所述检测电极4和所述补偿电极5下方就是基体。所述驱动电极3也固定设置在所述基体上。所述驱动电极3包括梳状电极，所述驱动质量块1也具有与梳状驱动电极3配合的梳状锯齿。
21.mems陀螺仪的工作原理介绍如下：所述驱动电极3驱动所述驱动质量块1做往复运动，即谐振运动；所述检测质量块2在所述驱动质量块1的带动下与所述驱动质量块1一起做往复运动；所述检测电极4与所述检测质量块2形成一检测电容；在敏感轴上存在转动时，由于科里奥利力的作用会引起所述检测质量130块检测轴方向的运动，此时通过检测该所述检测电容的变化能够检测在敏感轴上转动的角速度。
22.更为具体的，如图1所示的，第一补偿梁9沿y轴延伸，第二补偿梁13沿x轴延伸，所述驱动质量块1被所述驱动电极驱动的沿x轴往复运动，所述检测质量块2在所述驱动质量块1的带动下与所述驱动质量块1一起沿x轴做往复运动，所述x轴和y轴垂直。此时，y轴为敏感轴，z轴为检测轴，在y轴上存在转动时，由于科里奥利力的作用会引起所述检测质量块2沿z轴的运动，导致检测质量块与检测电极的距离发生变化，此时通过检测该所述检测电容的变化能够检测y轴上转动的角速度。
23.图2是本实用新型中的陀螺仪沿aa线的结构侧视示意图，此时无正交误差，无角速度作用。如图2(a)所示的，所述检测质量块2在原始位置静止，所述检测质量块2与所述检测电极4的距离为d0；如图2(b)所示的，所述检测质量块2向右运动，所述检测质量块2与所述检测电极4的距离为d0；如图2(c)所示的，所述检测质量块2向左运动，所述检测质量块2与所述检测电极4的距离为d0。可见，无角速度作用且无正交误差(理想)的情况下，所述检测质量块与所述检测电极之间的距离一直保持不变，即为d0。
24.然而，实际上当加工误差存在时，驱动质量块1沿着驱动方向的位移会被耦合到检测质量块2上，造成其沿着检测方向(检测轴)发生位移，这种位移会被误认为角速度信号，这个错误的信号被称作为正交误差信号。这个正交误差信号的相位通常与科里奥利力的相位相差90度且其幅值通常也比检测质量块2检测到的科里奥利力的信号要大几个数量级。
25.图3是本实用新型中的陀螺仪沿aa线的结构侧视示意图，此时存在正交误差，无角速度作用。如图3(a)所示的，所述检测质量块2位于原始位置，所述检测质量块2与所述检测电极4的距离为d0；如图3(b)所示的，所述检测质量块2向右运动，所述检测质量块2与所述检测电极4的距离为d1；如图3(c)所示的，所述检测质量块2向左运动，所述检测质量块2与所述检测电极4的距离为d2。很明显，即使无角速度作用，由于正交误差的存在也会使得d1《d0《d2。
26.为了避免检测电路被该误差信号饱和，所以如何把这个正交误差信号消除掉是非常必要的。由于正交误差导致的检测质量块的位移z
quad
可以表示为：
27.z
quad
＝asin(ωt)
28.ω是驱动频率,a是从驱动质量块耦合过来导致检测质量块在敏感轴的位移。因此，正交误差信号可以利用相反相位相反幅值的信号来进行补偿。所述至少一对补偿质量
块11和所述至少一对补偿电极5可以被用来补偿所述正交误差。如图1所示的，每对补偿质量块11中的第一补偿质量块111位于所述第一补偿梁9的一侧，每对补偿质量块11中的第二补偿质量块112位于所述第一补偿梁9的另一侧。每对补偿电极5包括位于对应的一对补偿质量块中的第一补偿质量块下方的第一补偿电极51，以及位于对应的一对补偿质量块中的第二补偿质量块下方的第二补偿电极52。通过在所述至少一对补偿电极的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，以进行误差补偿。具体的，通过在所述至少一对补偿电极5的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，使得所述至少一对补偿质量块11通过第一补偿梁9、第二补偿梁13给所述检测质量块2提供沿z轴、沿x轴转动和/或沿y轴转动的误差补偿力，以进行正交误差补偿。给所述检测质量块2提供的沿z轴误差补偿力的相位和大小与所述正交误差信号的相位和大小相关，以抵消所述正交误差信号的影响。
29.在一个实施例中，通过在所述至少一对补偿电极5的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，能够促使第一补偿梁9沿y轴正向转动和/或反向转动，进而带动第二补偿梁13给所述检测质量块2提供沿z轴的误差补偿力，该误差补偿力可以驱使所述检测质量块2沿z轴远离所述检测电极4或靠近所述检测电极4，以进行正交误差补偿。具体的，在所述检测质量块2沿x轴的一个方向运动时，在所述至少一对补偿电极5中的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，促使第一补偿梁9转动，进而带动第二补偿梁给所述检测质量块2提供沿z轴向上的误差补偿力，该误差补偿力可以驱动所述检测质量块2远离所述检测电极4，以进行正交误差补偿；在所述检测质量块2沿x轴的相反的另一个方向运动时，在所述至少一对补偿电极5的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，促使第一补偿梁9转动，进而带动第二补偿梁给所述检测质量块2提供沿z轴向下的误差补偿力，该误差补偿力可以驱动所述检测质量块2沿z轴靠近所述检测电极4，以进行正交误差补偿。
30.如图1所示的，第一补偿梁9为两个，两个第一补偿梁分别位于检测质量块9的沿x轴的两侧。第二补偿梁13为两个，两个第二补偿梁13分别位于检测质量块2的沿x轴的两侧。所述检测梁8为两个，两个检测梁8分别位于检测质量块2的沿x轴的两侧。每个第二补偿梁13连接于对应的一个第一补偿梁9和对应的一个检测梁8之间。所述至少一对补偿质量块11包括四对补偿质量块，其中一对补偿质量块11a耦接于一个第一补偿梁9(比如左侧第一补偿梁9)上并位于第二补偿梁13的上侧，其中一对补偿质量块耦11b接于该一个第一补偿梁9(比如左侧第一补偿梁9)上并位于第二补偿梁13的下侧，其中一对补偿质量块11c耦接于另一个第一补偿梁9(比如右侧第一补偿梁9)上并位于第二补偿梁13的上侧，其中一对补偿质量块11d耦接于该另一个第一补偿梁9(比如右侧第一补偿梁9)上并位于第二补偿梁13的下侧，每对补偿质量块11中的远离检测质量块的补偿质量块2被称为第一补偿质量块111，或者外侧补偿质量块，每对补偿质量块11中的靠近检测质量块2的补偿质量块被称为第二补偿质量块112，或者内侧补偿质量块。所示至少一对补偿电极包括有四对补偿电极，每对补偿电极对应一对补偿质量块。图1中共示意出了4对补偿质量块和4对补偿电极。
31.图4是本实用新型中的陀螺仪沿aa线的结构侧视示意图，此时存在正交误差且执行了正交误差补偿。如图4(a)，在所述检测质量块2沿x轴向右运动时，在每对补偿电极5中的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，比如在第一补偿电极51(外侧补偿电极)上施加电信号，以在第一补偿电极51和第一补偿质量块111之间产生吸力，促使左侧第一补偿梁9沿y轴反向(逆时针)转动，右侧第一补偿梁9沿y轴正向(顺时针)转动，进而由第
二补偿梁13给所述检测质量块2提供沿z轴向上的误差补偿力，从而驱使所述检测质量块2沿z轴远离所述检测电极4，抵消了正交误差导致的所述检测电极4的沿z轴向下的偏移，以进行正交误差补偿，此时所述检测电极4和所述检测质量块2之间的距离为d0，而不是图3中的d1。图4(a)只是显示了一个第一补偿电极51上施加电信号，实际上也可以同步在第二补偿电极52上施加相位相反的电信号，并且施加的电信号的幅度是变化的，与正交误差的幅度相关。
32.图4(b)所示的，在所述检测质量块2沿x轴向左运动时，在每对补偿电极5中的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，比如在第二补偿电极52(内侧补偿电极)上施加电信号，以在第二补偿电极52和第二补偿质量块112之间产生吸力，促使左侧第一补偿梁9沿y轴正向(顺时针)转动，右侧第一补偿梁9沿y轴反向(逆时针)转动，进而由第二补偿梁13给所述检测质量块2提供沿z轴向下的误差补偿力，从而驱使所述检测质量块2沿z轴靠近所述检测电极4，以抵消了正交误差导致的所述检测电极4的沿z轴向上的偏移，实现正交误差补偿，此时所述检测电极4和所述检测质量块2之间的距离为d0，而不是图3中的d2。图4(b)只是显示了一个第一补偿电极51上施加电信号，实际上也可以同步在第二补偿电极52上施加相位相反的电信号，并且施加的电信号的幅度是变化的，与正交误差的幅度相关。
33.在一个实施例中，在所述至少一对补偿电极的第一补偿电极上施加电信号为v
quad-cancel_p
：
[0034]vquad_cancel_p
＝v
pm
+v
dc
+v
ac
cos(ωt)
[0035]
在所述至少一对补偿电极的第二补偿电极上施加电信号为v
quad_canceln
：
[0036]vquad_cancel_n
＝v
pm
+v
dc-v
ac
cos(ωt)
[0037]
其中，v
pm
为施加到所述检测质量块的电信号，v
dc
为预定直流电信号，v
ac
为预定交流电信号，ω为驱动频率。
[0038]
这样，产生的反向的补偿的力为：
[0039][0040]
其中ε0是真空的介电常数，n是单位面积电容组数，l是单位面积电容长度，t是单位面积电容的厚度。
[0041]
可被补偿的正交误差的幅值正比于补偿电压产生的静电力：
[0042]dquad_cancel
∝fe_quad_cancel
[0043]
在一个实施例中，如果四根驱动梁195因工艺偏差一致性不好而导致的非对称形变，即图5所示的，d表示微陀螺不受驱动力时的状态；d1，d2表示存在正交误差时，微陀螺在驱动力作用下整体结构沿y轴发生倾斜运动时的状态，其中d1＜d0＜d2。根据驱动反馈电极6的电压输出得到扭转角，通过在耦接于同一个第一补偿梁上的每对补偿质量块11a、11b、11c和11d对应的补偿电极施加同样的电信号，与对应的各队补偿质量块产生静电力，迫使驱动时驱动质量块1始终与电极保持固定间距d0，用于补偿驱动质量块1发生的倾斜运动，消除驱动质量块z轴方向由于工艺误差带来的位移。
[0044]
所述mems陀螺仪还包括：设置于所述基体上的驱动反馈电极6，所述驱动反馈电极6位于所述驱动质量块1的下方。图6是本实用新型中的陀螺仪沿aa线的剖视结构侧视示意图，此状态下正交误差引起整体结构倾斜运动且执行了正交误差补偿。当面临如图5的d1情
况时,解决方法见图6中d1’，需要往检测质量块2右侧的每对补偿电极上施加电压，会使得右侧的每对补偿质量块整体下降，进而调整陀螺仪的检测质量块恢复至初始状态；当面临如图5的d2情况时,解决方法见图6中d2’，需要往检测质量块2左侧的每对补偿电极施加电压，会使得左侧的补偿质量块11整体下降，进而调整检测质量块2恢复至初始状态；可通过控制施加电压的大小可确保驱动质量块与电极间距为d0。所述补偿电极可以调整沿x或y轴驱动时驱动质量块的倾斜运动。由于制造工艺偏差的存在，由非正交性导致的误差始终存在，再加上工艺的非一致性，器件的良率因此偏低。通过本实用新型，可以通过对补偿电极施加ac+dc的电信号，以产生静电吸引力，从而可以给检测质量块2提供绕x轴旋转、绕y轴旋转和/或沿z轴的误差补偿力，对正交误差或其他工艺误差进行补偿，方法比较简单，可以明显的提高产品生产良率。
[0045]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0046]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。
技术特征：1.一种mems陀螺仪，其特征在于，其包括：驱动质量块，其内部定义形成有一空间；驱动电极，其驱动所述驱动质量块做往复运动；位于所述空间中的检测质量块；位于所述检测质量块下方的检测电极，其与所述检测质量块形成一检测电容，通过检测该所述检测电容的变化确定所述检测质量块的运动；耦接于所述驱动质量块上的第一补偿梁；耦接于所述第一补偿梁和所述检测质量块之间的第二补偿梁，其中所述检测质量块在所述驱动质量块的带动下与所述驱动质量块一起做往复运动；耦接于所述第一补偿梁上的至少一对补偿质量块，其中每对补偿质量块中的第一补偿质量块位于所述第一补偿梁的一侧，每对补偿质量块中的第二补偿质量块位于所述第一补偿梁的另一侧；位于所述至少一对补偿质量块下方的至少一对补偿电极，每对补偿电极包括位于对应的一对补偿质量块中的第一补偿质量块下方的第一补偿电极，以及位于对应的一对补偿质量块中的第二补偿质量块下方的第二补偿电极，通过在所述至少一对补偿电极的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，以进行误差补偿。2.根据权利要求1所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述检测质量块包括位于边缘的检测梁，第二补偿梁耦接于所述第一补偿梁和所述检测梁之间。3.根据权利要求1所述的mems陀螺仪，其特征在于，其还包括：固定于基体上的锚点；连接所述锚点和所述驱动质量块的驱动梁；其中所述驱动质量块、所述检测质量块、所述补偿质量块、第一补偿梁、第二补偿梁和驱动梁均悬置于所述基体上方，所述检测电极和所述补偿电极均设置于所述基体上。4.根据权利要求3所述的mems陀螺仪，其特征在于，其还包括：设置于所述基体上的驱动反馈电极，所述驱动反馈电极位于所述驱动质量块的下方。5.根据权利要求1-4任一所述的mems陀螺仪，其特征在于，第一补偿梁沿y轴延伸，第二补偿梁沿x轴延伸，所述驱动质量块被所述驱动电极驱动的沿x轴往复运动，所述检测质量块在所述驱动质量块的带动下与所述驱动质量块一起沿x轴做往复运动，y轴为敏感轴，在y轴上存在转动时，会引起所述检测质量块沿z轴的运动，通过检测该所述检测电容的变化能够检测y轴上转动的角速度，所述x轴和y轴垂直，z轴与x和y轴垂直，通过在所述至少一对补偿电极的第一补偿电极和/或第二补偿电极上施加电信号，使得所述至少一对补偿质量块通过第一补偿梁、第二补偿梁给所述检测质量块提供沿z轴的误差补偿力，或者沿x轴转动的误差补偿力或者沿y轴转动的误差补偿力。6.根据权利要求5所述的mems陀螺仪，其特征在于，第一补偿梁为两个，两个第一补偿梁分别位于检测质量块的沿x轴的两侧，第二补偿梁为两个，两个第二补偿梁分别位于检测质量块的沿x轴的两侧，所述检测梁为两个，两个检测梁分别位于检测质量块的沿x轴的两侧，每个第二补偿梁连接于对应的一个第一补偿梁和对应的一个检测梁之间；所述至少一对补偿质量块包括四对补偿质量块，
其中一对补偿质量块耦接于一个第一补偿梁上并位于第二补偿梁的上侧，其中一对补偿质量块耦接于该一个第一补偿梁上并位于第二补偿梁的下侧，其中一对补偿质量块耦接于另一个第一补偿梁上并位于第二补偿梁的上侧，其中一对补偿质量块耦接于该另一个第一补偿梁上并位于第二补偿梁的下侧，所示至少一对补偿电极包括有四对补偿电极，每对补偿电极对应一对补偿质量块，每对补偿质量块中的远离检测质量块的补偿质量块被称为第一补偿质量块，每对补偿质量块中的靠近检测质量块的补偿质量块被称为第二补偿质量块。
技术总结本实用新型提供一种MEMS陀螺仪，其包括：驱动质量块；驱动电极；检测质量块；位于所述检测质量块下方的检测电极；耦接于所述驱动质量块上的第一补偿梁；耦接于所述第一补偿梁和所述检测质量块之间的第二补偿梁；耦接于所述第一补偿梁上的至少一对补偿质量块，其中每对补偿质量块中的第一补偿质量块位于所述第一补偿梁的一侧，每对补偿质量块中的第二补偿质量块位于所述第一补偿梁的另一侧；位于所述至少一对补偿质量块下方的至少一对补偿电极，通过在所述至少一对补偿电极上施加电信号，以进行误差补偿。误差补偿。误差补偿。
技术研发人员：凌方舟 丁希聪 刘尧 蒋乐跃
受保护的技术使用者：美新半导体（天津）有限公司
技术研发日：2021.09.16
技术公布日：2022/7/5
