专利名称：含有陀螺仪和加速计的微机电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成了陀螺仪和加速计的微机电设备。
背景技术：
正如所知，微机电系统(MEMS)的使用已经持续扩展至各种技术领域，并且已经尤其在用于广泛应用的惯性传感器、微集成陀螺仪和机电振荡器的生产中产生令人鼓舞的结果O这一类的MEMS通常基于包括至少一个质量体的微机电结构,该质量体(mass)通过弹性件连接到支撑体(定子)并且根据预设自由度相对于定子可移动。通过多个相应梳齿形并且相互相对的电极来电容性耦合可移动质量体和定子以便形成电容器。可移动质量体相对于定子的移动例如因外部应力而修改电容器的电容，从而有可能追溯至可移动质量体相对于固定体的相对移位，并且因此追溯至施加的力。反言之，通过施加适当偏置电压，有可能向可移动质量体施加静电力以将它设置于运动。另外，为了获得机电振荡器，利用谐振频率来研究惯性MEMS结构的频率响应，该频率响应通常为二阶低通型。具体而言，MEMS加速计利用如下事实可移动质量体沿着一个或者多个感测轴的移位与定子受到的沿着相同轴的加速分量的幅度相关。如上文提到的那样，弹性件的弹性动作抵消这些移位，并且可以通过电容性耦合的变化来感测这些移位。MEMS陀螺仪具有更复杂的机电结构，该结构通常包括相对于定子可移动并且耦合在一起以便具有相对自由度的两个质量体。两个可移动质量体均电容性耦合到定子。质量体之一专用于驱动并且保持于具有受控幅度的以谐振频率的振荡。另一质量体在振荡(平移或者旋转)运动中被驱动，并且在微结构以角速率相对于预设陀螺轴旋转的情况下受到与角速率本身成比例的科里奥利力。在实践中，如同驱动质量体一样通过电极来电容性耦合到固定体的受驱动质量体作为加速计来操作，该加速计实现感测科里奥利力和加速并且因此使得有可能追溯至角速率。在一些情况下，单个质量体被约束至定子以便以两个独立自由度相对于定子本身可移动。驱动设备根据自由度之一将可移动质量体维持于受控振荡。由于科里奥利力，可移动质量体然后可以响应于定子绕感测轴的旋转而根据另一自由度移动。在若干应用中，设备或者系统的一部分的平移和旋转移动的正确感测呈现增加的重要性，并且需要越来越复杂的解决方案。出于这一原因，已经推动制造商向讨论的设备装配各种类型的传感器、加速计和陀螺仪以便同时供应加速和角速率的测量。目前提供可能在同一个封装中提供的不同设备。然而该解决方案带来在总体尺度方面和在消耗水平方面(即关于认识到在现代微电子业中关键的方面)的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现克服上文描述的限制并且具体而言紧凑和通用的微机电设备。
根据本发明，提供如权利要求1限定的一种微机电设备。
为了更好地理解本发明，现在将完全通过非限制例子并且参照以下附图描述其一些实施例
图1是根据本发明一个实施例的微机电设备的简化框图2是图1的设备的部件的简化俯视平面图3是图2的部件的放大细节的示意表示；
图4是图1的设备的细节的简化电布线图5a示出了关于图4的细节的电学量和相同细节在第一操作配置中的示意平面-图5b示出了关于图4的细节的电学量和相同细节在第二操作配置中的示意平面
布线图
布线图
-图6图示了根据本发明一个实施例的电子系统的部分；
-图6a是在第一感测模式中关于将图2的部件耦合到图1的设备的感测接口的电
-图6b是在第二感测模式中关于将图2的部件耦合到图1的设备的感测接口的电
-图7是根据本发明第二实施例的微机电设备的部件的简化俯视平面-图8a是图7的部件在第一操作配置中的放大细节的简化前视-图8b是图7的部件在第二操作配置中的放大细节的简化前视-图9根据本发明一个实施例的微机电设备的简化框-图10是图9的设备的部件的简化俯视平面图；并且
-图11是根据本发明一个实施例的含有微机电传感器的电子系统的简化框图。
具体实施例方式参照图1，集成有加速计和陀螺仪的功能的微机电设备I包括微结构2、驱动设备
3、读取设备5和控制单元6。如下文将说明的那样，微结构2包括活动元件，这些元件由驱动设备3保持于受控振荡运动，并且分别实现感测微结构2的根据第一感测轴和第二感测轴的加速和旋转。这里并且下文将分别根据允许质量体按照相应自由度的移动是平移还是旋转来使用表达“根据轴”指示沿着轴或者绕着轴的移动。类似地，将使用表达“根据自由度”指示如按照自由度本身允许的平移或者旋转移动。微结构2还向读取设备5供应感测信号，这些感测信号被处理以获得加速信号Sa和旋转信号Sm感测信号(在一个实施例中是差分电荷包(packet))分别指示微结构2沿着第一感测轴的加速和微结构2绕着第二感测轴的旋转。读取设备5被配置成分别使用第一处理模式和第二处理模式根据微结构2供应的感测信号获得加速信号Sa和旋转信号Si2并且出于这一目的而由控制单元6控制。
读取设备包括路由级7、感测接口 8 (在描述的实施例中是全差分切换电容器电荷放大器)、选择器9、加速处理链10和旋转链11。路由级7将微结构2耦合到感测接口 8的输入端子并且建立耦合在第一处理模式中和在第二处理模式中的相应不同模态。控制单元6例如可以通过选择信号SEL选择耦合模态。感测接口 8将从微结构2接收的感测信号组合成通过选择器9在第一处理模式中向加速处理链10而在第二处理模式中向旋转处理链11供应的换能信号。此外，通过选择信号SEL控制选择器9。加速处理链10和旋转处理链11被配置成以本身已知的方式从感测接口 8接收的 信号分别提取加速信号Sa和旋转信号Si2。控制单元6循环地选择第一处理模式和第二处理模式，从而加速信号Sa和旋转信号3￡2的更新值将持续可用。备选地，控制单元6可以接收根据需要确定处理模式的外部命令。在一个实施例中，如图2中所示制作微结构2，并且微结构2包括支撑结构12、第一感测质量体13a和第二感测质量体13b。第一感测质量体13a和第二感测质量体13b与彼此相同，并且相对于支撑结构12可移动。更具体而言，感测质量体13a、13b通过弹性悬置元件14a的相应系统被约束至支撑结构12，这些元件实现沿着与彼此垂直并且均与支撑结构12的表面平行的第一轴X和第二轴Y的移动。代之以防止感测质量体13a、13b沿着与轴X、Y并且与支撑结构12的表面垂直的第三轴Z的移动。可选地，可以通过又一弹性元件14b相互耦合感测质量体13a、13b以改进驱动。另外，驱动设备3的部分集成于微结构2中。具体而言，驱动单元15以对称方式率禹合到感测质量体13a、13b。驱动单元15包括例如在梳齿形配置中相互电容性稱合的固定驱动电极16和可移动驱动电极17。在支撑结构12上提供固定驱动电极16，而相应感测质量体13a、13b承载可移动驱动电极17。另外，以当在固定驱动电极16与可移动驱动电极17之间施加静电力时引起感测质量体13a、13b沿着驱动轴(例如轴X)的移位这样的方式配置驱动单元15。微结构2还包括用于感测质量体13a、13b中的每个质量体的至少一个感测单元18。感测质量体13a、13b通过感测单元18电容性耦合到支撑结构12。更具体而言，每个感测单元18包括锚定到支撑结构12的第一和第二固定感测电极19a、19b以及锚定到相应感测质量体13a、13b并且插入于相应第一固定感测电极19a与第二固定感测电极19b之间的可移动感测电极20。电容性耦合为差分类型并且通过平行板电极来获得、与感测方向(轴Y)垂直并且配置成感测这些感测质量体13a、13b的、根据与驱动轴垂直的感测轴(在这一情况下，感测轴与轴Y平行)的移位。此外第一感测质量体13a的感测单元18的第一和第二固定感测电极19a、19b分别电连接到微结构2的第一感测端子21a和第二感测端子22a。类似地，第二感测质量体13b的感测单元18的第一和第二固定感测电极19a、19b分别电连接到微结构2的第一感测端子21b和第二感测端子22b。如在图4中以简化方式所示，在实践中，第一感测质量体13a通过差分电容Cal、Ca2耦合到感测端子21a、22a，而第二感测质量体13b通过也是差分的电容Cbl、Cb2耦合到感测端子21b、22b。另外下文将把示出了当感测质量体13a、13b沿着加速的感测轴(在这一情况下是Y轴)在相同方向上移动时的协调变化的电容称为“对应电容”。在描述的实施例中，电容CaUCbl和电容Ca2、Cb2是对应电容。参照图1和图2，驱动设备3被配置成将第一感测质量体13a和第二质量体13b设置于在驱动频率、具有受控幅度并且相位相反的振荡。然后在每个瞬间，第一感测质量体13a和第二感测质量体13b按绝对值相同的速率、但是在相反方向上沿着驱动轴(轴X)移动(感测质量体13a、13b在给定瞬间的速率由图2中的箭头示意地代表)。由于相位相反的驱动，当微结构2绕着轴Z转动时，如图5a中示意地所示，第一感测质量体13a和第二感测质量体13b受到与感测轴(轴Y)平行的科里奥利力，这些力具有相同绝对值和相反符号(在图5a和5b中用虚线代表感测质量体13a、13b相对于感测轴的静止位置)。第一感测质量体13a和第二感测质量体13b与支撑结构12的电容性耦合因此以差分方式变化。换而言之，当在第一感测质量体13a与相应感测单元18的第一感测端子 21a之间的电容Cal具有变化AC时，在第二感测质量体13b与相应感测单元18的第一感测端子21b之间的对应电容Cbl具有相反变化-AC (线性逼近)。相似推理适用于对应电容 Ca2 和 Cb2。图5b示出了微结构2沿着感测轴(轴Y)受到加速的情形。在这一情况下，第一感测质量体13a和第二感测质量体13b示出了协调(concordant)移位，因此相对于第一感测端子2la、2Ib的对应电容Cbl和Cb2以及相对于感测端子22a、22b的对应电容Ca2和Cb2类似地呈现协调变化(对于电容Cal、Cbl为+ Λ C，对于电容Ca2、Cb2为-Λ C)。这里并且下文将把感测质量体13a、13b在相同方向上沿着加速的感测轴(轴Y)的移位(如图5b中那样)称为“协调”，而将把感测质量体13a、13b在相反方向上沿着加速的感测轴的移位称为“不协调”。可以捕获并且在第一读取模式或者加速读取模式中组合感测信号以便将因对应电容Cal、Cbl(Cal+Cbl)和Ca2、Cb2 (Ca2+Cb2)(并且因此由于感测质量体13a、13b的协调移位)所致的信号贡献相加。在第二读取模式或者旋转读取模式中，可以组合感测信号以便将因对应电容CaUCbl (Cal-Cbl)和Ca2、Cb2 (Ca2_Cb2)(并且因此由于感测质量体13a、13b的不协调移位)所致的信号贡献相减。以此方式，有可能放大在一个情况下由于沿着轴Y的加速而在另一情况下由于绕着轴Z的旋转所致的信号分量，代之以衰减由于未测量的数量所致的信号分量。另外，为了改进读�。捎诓罘值缛�(对于第一感测质量体13a为Cal、Ca2，而对于第二感测质量体13b为Cbl、Cb2)所致的信号分量相减。在加速读取模式中，如已经所言，将由于对应电容CaUCb^P Ca2、Cb2所致的信号贡献相加，以便放大由于协调移位所致的贡献并且衰减由于不协调移位所致的贡献。因此放大沿着轴Y的加速的影响而衰减绕着轴Z的旋转的影响。为了简化，在图5a、图5b中，由于电容Cal、Ca2、Cbl、Cb2所致的信号贡献分别由S(Cal)、S(Ca2)、S(Cbl)、S(Cb2)标示。根据上文已经阐述的内容，在加速读取模式中，在第一感测信号S’中组合信号贡献S (Cal)、S (Ca2)、S (Cbl)、S (Cb2)如下S，= (S (Cal) +S (Cbl)) - (S (Ca2) +S (Cb2)) (I)对应电容CaUCbl和Ca2、Cb2的变化Λ C在微结构2沿着轴Y加速的情况下协调并且因此被求和，而它们在绕着轴Z旋转的情况下不协调并且抵消。在实践中，在加速读取模式中，使用设备I作为用于感测沿着轴Y的加速的线性加速计，而抑制由于绕着轴Z的旋转所致的分量。在旋转读取模式中，将因对应电容CaUCbl和Ca2、Cb2所致的信号贡献相减，以便放大因感测质量体13a、13b的不协调移位所致的贡献，并且衰减因协调移位所致的贡献。因此放大绕着轴Z的旋转的影响而衰减绕着轴Z的旋转的影响。在旋转读取模式中，具体而言，在第二感测信号S”中组合信号贡献S (Cal)、S (Ca2)、S (Cbl)、S (Cb2)如下S，，= (S(Cal)-S(Cbl))-(S(Ca2)-S(Cb2)) (2)与在加速读取模式中不同，对应电容Cal、Cbl和Ca2、Cb2的变化Λ C在微结构2沿着轴Y加速的情况下被补偿，而它们在绕着轴Z旋转的情况下不协调并且被相加以作为信号贡献S(Cal)、S(Ca2)、S(Cbl)、S(Cb2)的组合结果。在旋转读取模式中，因此使用设备·I作为用于感测绕着轴Z的旋转的陀螺仪(偏航型)，而抑制由于沿着轴Y的加速所致的分量。在描述的实施例中，如下文参照图6a和6b描述的那样，信号贡献S(Cal)、S(Ca2)、S(Cbl)、S(Cb2)在两个读取模式中的组合由路由级7和感测接口 8执行。路由级7可以例如包括用于修改在微结构2和感测接口 8的端子之间的耦合的开关(未示出)，并且如已经提到的那样由控制单元6控制。具体而言，当控制单元6选择第一处理模式时，路由级7在加速读取模式中将微结构2连接到读取接口 8。在这一情况下(图6a)，微结构2的第一感测端子21a(第一感测质量体13a)和第二感测端子21b (第二感测质量体13b)连接到感测接口 8的第一输入8a，而微结构2的第二感测端子22a (第一感测质量体13a)和第二感测端子22b (第二感测质量体13b)连接到感测接口 8的第二端子8b。与感测接口 8的同一个输入并联连接的电容的信号贡献相加在一起(S(Cal)+S (Cbl)和S(Ca2)+S(Cb2))，而感测接口计算到达不同输入的信号贡献之差。路由级7在控制单元6选择第二处理模式时在旋转读取模式中将微结构2连接到读取接口 8。在这一情况下(图6b)，微结构2的第一感测端子21a(第一感测质量体13a)和第二感测端子22b (第二感测质量体13b)连接到感测接口 8的第一输入8a，而微结构2的第二感测端子22a (第一感测质量体13a)和第一感测端子21b (第二感测质量体13b)连接到感测接口 8的第二输入8b。在实践中，关于加速读取模式，路由级7在感测接口 8的输入反转感测质量体13a、13b之一(在这一情况下为第二感测质量体13b)的感测端子的耦合。具有在沿着驱动轴(轴X)的相反相位的振荡中设置的一对可移动质量体的微结构以及在两个不同模式中组合的对可移动质量体沿着感测轴(轴Y)的移位的读取实现在同一个设备中集成加速计和陀螺仪的功能。本发明因此赋予在面积占用和消耗水平方面的相当节�。⑶乙虼朔隙杂谠诜段г嚼丛焦愕挠τ煤偷缱由璞�(具体为便携设备)中集成具有高性能水平的数目越来越多的传感器的迫切需求这一方向。图7、图8a、图8b图示了本发明的一个不同实施例，其中集成加速计和陀螺仪的功能的设备100包括微结构102，并且另外包括基本上如先前具体参照图1、图6a、图6b已经描述的驱动设备3、读取设备5和控制单元6。微结构102包括支撑结构112、第一感测质量体113a和第二质量体113b。第一感测质量体113a和第二感测质量体113b与彼此相同并且相对于支撑结构112可移动。感测质量体113a、113b通过弹性悬置元件114a的相应系统被约束至支撑结构112，这些元件实现沿着第一轴X的平移移动和绕着与第二轴Y平行的相应旋转轴Ra、Rb的旋转移动。轴X、Y相互垂直并且均与支撑结构12的表面平行。在与相应感测质量体113a、113b的重心Ga、Gb的相同距离设置旋转轴Ra、Rb。配置弹性悬置元件114a使得重心Ga、Gb落在旋转轴Ra、Rb之间包括的平面XY的区域中。另外预载弹性悬置元件114a以便在平面XY水平时维持可移动质量体113a、113b与支撑结构112基本上平行。可选地，可以通过又一弹性元件114b将感测质量体13a、13b稱合在一起以改进驱动。另外，驱动设备3的部分集成于微结构102中。具体而言，驱动单元115以对称方式耦合到感测质量体113a、113b。驱动单元115包括例如在梳齿形配置中电容性耦合在一起的固定驱动电极116和可移动驱动电极117。在支撑结构112上提供固定驱动电极116，而相应感测质量体113a、113b承载可移动驱动电极117。另外，驱动单元115被配置成当在固定驱动电极116与可移动驱动电极117之间施加静电力时引起感测质量体113a、113b沿着驱动轴(例如轴X)的移位。微结构2还包括用于感测质量体113a、113b中的每个感测质量体的至少一个感测单元118。感测质量体113a、113b通过感测单元118电容性稱合到支撑结构112。更具体而言，每个感测单元118包括第一固定感测电极119a和第二固定感测电极119b以及第一可移动感测电极120a和第二可移动感测电极120b。第一可移动感测电极120a和第二可移动感测电极120b布置于相应感测质量体113a、113b的朝着支撑结构112的一面上。另外，第一和第二可移动感测电极120a、120b关于相应旋转轴Ra、Rb彼此相反布置于感测质量体113a、113b中的每个感测质量体上。此外,在这一情况下,在可移动与固定电极之间的电容性耦合为差分类型，并且感测单元118被配置成感测这些感测质量体113a、113b绕着相应旋转轴Ra、Rb的旋转。此外，第一感测质量体113a的感测单元118的第一和第二固定感测电极119a、119b分别电连接到微结构102的第一感测端子121a和第二感测端子122a。类似地，第二感测质量体113b的感测单元118的第一和第二固定感测电极119a、119b分别电连接到微结构120的第一感测端子121b和第二感测端子122b。如图8a、图Sb中以简化方式所示，在实践中，第一感测质量体113a通过差分电容Cal、Ca2耦合到感测端子121a、122a，并且第二感测端子113b通过也是差分的电容Cbl、Cb2耦合到感测端子121b、122b。此外，在这一情况下，电容CaUCbl和电容Ca2、Cb2是对应电容，因为它们在感测质量体113a、113b沿着加速的感测轴(这里为轴Z)在相同方向上移动时示出协调变化。再次参照图7，如先前已经描述的那样，驱动设备3被配置成将第一感测质量体113a和第二质量体113b设置于在驱动频率、具有受控幅度并且相位相反的振荡。因此在每个瞬间，第一感测质量体113a和第二感测质量体113b沿着驱动轴(轴X)、按绝对值相同的速率、但是在相反方向上移动。由于相位相反的驱动，当微结构102绕着轴Y转动时，如图8a中示意地所示，第一感测质量体113a和第二感测质量体113b受到与轴Z平行、具有相同绝对值和相反符号的科里奥利力(在图8a和图8b中，用虚线代表感测质量体113a、113b的静止位置)。感测质量体113a、113b因此均绕着相应旋转轴Ra、Rb在顺时针方向上或者在逆时针方向上转动。
取而代之，在沿着轴Z加速的情况下，如图Sb中所示，感测质量体113a、113b绕着相应轴Ra、Rb 一个在顺时针方向上而另一个在逆时针方向上转动。关于图7、图8a、图Sb的实施例，定义“协调移位”将适用于如下移位，这些移位引起感测质量体113a、113b的包含相应重心的部分沿着加速的感测轴(轴Z)在相同方向上的移动(即沿着轴Z的加速所引起的移位)。定义“不协调移位”将代之以适用于如下移位,这些移位引起感测质量体113a、113b的包含相应重心的部分沿着加速的感测轴(轴Z)在相反方向上的移动(即由于科里奥利力而绕着轴Y的旋转所引起的移位)。因此，如在先前描述的实施例中那样，也在这一情况下，对应电容CaUCbl和Ca2、Cb2的变化在沿着轴Z加速的情况下协调而在绕着轴Y旋转的情况下不协调。因此可以在加速读取模式中和在旋转读取模式中分别如等式(I)和(2)所示组合在感测电极121a、122a、121b、122b的信号贡献。在加速读取模式中，放大驱动质量体113a、113b的协调移位(沿着轴Z加速)的影响，而衰减不协调移位(绕着轴Y旋转)的影响。反言之，在旋转读取模式中，放大不协调移位的影响，而衰减协调移位的影响。为了组合在感测电极121a、122a、121b、122b的信号贡献，如已经描述的那样，使用路由设备7和感测接口 8。图9图示了本发明的又一实施例。在这一情况下，集成多轴加速计和多轴陀螺仪的功能的微机电设备200包括微结构202并且另外包括基本上如先前具体参照图1、图6a、图6b描述的驱动设备3、复用器204、读取设备5和控制单兀6。在这一情况下，微结构202具有用于感测关于不同感测轴的加速和旋转的多个感测端子。感测端子通过复用器204循环地连接到读取设备5，该复用器出于这一目的而通过选择信号SELl由控制单元6控制。控制单元也用选择信号SLE2控制读取设备5。微结构202在图10中被示意地图示并且包括支撑结构212 ;第一感测质量体213a和第二感测质量体213b，通过弹性悬置元件214a的相应系统被约束至支撑结构212，这些元件实现沿着第一轴X的平移移动、沿着与第一轴X垂直的第二轴Y的平移移动和绕着与第二轴Y平行的相应旋转轴Ra、Rb的旋转移动(如已经描述的那样)；以及第三感测质量体213c和第四感测质量体213d，通过弹性悬置元件214a的相应系统被约束至支撑结构212，这些元件实现沿着第二轴Y (该轴作为辅助驱动轴来工作)的平移移动、沿着第一轴X的平移移动和绕着与第一轴X平行的相应旋转轴Re、Rd的旋转移动。感测质量体213a、213b、213c、213d在实践中被布置成形成交叉并且另外通过弹性耦合元件214b相互耦合。驱动设备3的驱动单元215以对称方式耦合到第一和第二感测质量体213a、213b，并且配置成引起第一和第二感测质量体213a、213b沿着轴X的移位。驱动单元215为梳齿型。驱动设备3使用驱动单元215用于将第一和第二感测质量体213a、213b设置于沿着轴X的相反相位的振荡。弹性耦合元件214b被成形为向第三和第四感测质量体213c、213d传输振荡移动，这些感测质量体响应于第一和第二感测质量体213a、213b的移动在相位相反时沿着轴Y振荡。在以本申请人的名义提交、日期为2010年12月23日的欧洲专利申请EP-A-2339293中呈现实现描述的机械耦合的弹性耦合元件214b的实施例例子。对于每个感测质量体213a、213b、213c、213d，微结构202包括差分感测单元218、220，这些感测单元用于感测这些感测质量体213a、213b、213c、213d本身的、分别在平面XY中(感测单元218)和在平面XY以外的移位(感测单元220，具体用于感测质量体213a、213b,213c,213d绕着相应旋转轴Ra、Rb、Re、Rd的旋转)。感测单元218为平行板电容器型(如参照图2-4描述的那样)并且定向成感测感测质量体213a、213b沿着轴Y的移位和感测质量体213c、213d沿着轴X的移位。感测单元218因此可以用于测量微结构202沿着轴X和Y的加速以及绕着轴Z的旋转。感测单元220代之以包括电容 性耦合的相向电极(如参照图7、图8a、图8b描述的那样)。感测单元220的电极相对于相应旋转轴Ra、Rb、Rc、Rd相反成对布置于相应感测质量体213a、213b、213c、213d上和支撑结构212上。因而感测单元220感测这些感测质量体在平面XY以外绕着相应旋转轴Ra、Rb、Re、Rd的旋转，并且可以用于测量微结构202沿着轴Z的加速以及绕着轴X和Y的旋转。图11是在感测质量体213a、213b、213c、213d与相应感测端子之间的电容性耦合的示意图示。对于第一感测质量体213a，感测单元218分别通过差分电容器Cal、Ca2耦合到感测端子221a、222a(其中存在信号贡献S(Cal)、S (Ca2))，而感测单元220分别通过差分电容器Ca3、Ca4耦合到感测端子223a、224a (其中存在信号贡献S (Ca3)、S (Ca4))。对于第二感测质量体213b，感测单元218分别通过差分电容Cbl、Cb2耦合到感测端子2211^、22213(其中存在信号贡献5(031)、S (Cb2))，而感测单元220分别通过差分电容Cb3、Cb4耦合到感测端子223b、224b (其中存在信号贡献S (Cb3)、S (Cb4))。电容Cal、Cbl、电容Ca2、Cb2、电容Ca3、Cb3和电容Ca4、Cb4是在上文定义的意义上的对应电容。对应第三感测质量体213c而言，感测单元218分别通过差分电容Ccl、Cc2耦合到感测端子221c、222c (其中存在信号贡献S(Ccl)、S (Cc2)，而感测单元220分别通过差分电容Cc3、Cc4耦合到感测端子223c、224c (其中存在信号贡献S (Cc3)、S (Cc4))。对于第四感测质量体213d而言，感测单元217分别通过差分电容Cdl、Cd2耦合到感测端子221d、222d (其中存在信号贡献S(Cdl)、S (Cd2)，而感测单元220分别通过差分电容Cd3、Cd4耦合到感测端子223d、224d (其中存在信号贡献S (Cd3)、S (Cd4))。电容Ccl、Cdl、电容Ca2、Cb2、电容Ca3、Cb3和电容Ca4、Cb4是在上文定义的意义上的对应电容。微结构202的感测端子通过复用器204循环连接到路由级7用于感测相对于轴X、Y、z的加速和旋转。对于每个量而言，具体而言，使用沿着同一个轴(X或者Y)在相位相反的振荡的成对感测质量体213a、213b、213c、213d的感测单元218或者感测单元220。对于相对于轴Z的加速和旋转而言，可以分别使用所有感测单元220和所有感测单元218。另外，路由级根据控制单元6供应的选择信号SEL2的值确定微结构202的感测端子在加速读取模式中(从而将由于对应电容所致的信号贡献求和)或者在旋转读取模式中(从而将由于对应电容所致的信号贡献相减)到感测接口8的耦合。如先前已经描述的那样，以这一方式有可能放大因待测量的量所致的信号分量、衰减因与涉及到的感测单元交互的其它量所致的影响。此外，为了感测沿着轴Z的加速和根据Z的旋转，将产生协调贡献的所有四个感测质量体213a、213b、213c、213d的对应电容的贡献相加以便获得感测信号的更大放大是有利的。具体而言，组合信号贡献如下感测沿着轴X的加速Sx= (S(Ccl)+S (Cdl) )_(SCc2+SCd2))感测沿着轴Y的加速Sy = (S (Cal) +S (Cbl)) - (SCa2+SCb2))感测沿着轴Z的加速Sz = (S (Ca3) +S (Cb3) +S (Cc3) +S (Cd3)) +- (S (Ca4) +S (Cb4) +S (Cc4) +S (Cd4))感测绕着轴Y的旋转(倾斜(pitch))Spitch = (S (Ca3) -S (Cb3)) - (S (Ca4) -S (Cb4))感测绕着轴X的旋转(滚动)Seoll = (S (Cc3) -S (Cd3)) - (S (Cc4) -S (Cd4)) 感测绕着轴X的旋转(偏航)Syaw= (S (Cal) +S (Cb2)) - (S (Ca2) +S (Cbl))或者Syaw= (S (Cd) +S (Cd2)) - (S (Cc2) +S (Cdl))或者Syaw= (S (Cal) +S (Cb2)) - (S (Ca2) +S (Cbl)) + (S (Cd) +S (Cd2)) +-(S(Cc2)+S (Cdl))描述的设备迄今为止特别灵活，因为它实现用单个微结构感测多达六个独立数量。可以使感测的数量同时可用，因为读取可以针对各种轴如描述的那样时分发生。图6图不了根据本发明一个实施例的电子系统300的部分。系统300包含微机电设备I并且可以用于电子系统(如比如掌上型计算机(个人数字助理(PDA))、可能具有无线能力的便携计算机、蜂窝电话、消息接发设备、数字音频播放器、数字照相相机或者视频相机、惯性导航系统、汽车系统或者设计成处理、存储、发送或者接收信息的其它设备)中。例如微机电设备I可以在数字相机中用于感测移动并且实现图像稳定。在又一实施例中，在用于计算机或者视频游戏控制台的通过运动激活的用户接口中包括微机电设备I在又一实施例中，微机电设备I并入于卫星导航设备中并且用于在失去卫星定位信号的情况下暂时跟踪位置。电子系统300可以包括都通过总线350耦合在一起的控制器310、输入/输出(I/O)设备320 (例如键盘或者显示器)、微机电设备1、无线接口 340和易失性或者非易失性型存储器360。在一个实施例中，应当注意本发明的范围不限于必然具有列举的设备之一或者所有设备的实施例。控制器310可以例如包括一个或者多个微处理器、微控制器等。I/O设备320可以用于生成消息。系统300可以使用无线接口 340以用射频(RF)信号向无线通信网络发送消息和从无线通信网络接收消息。即使本发明的范围不限于此，但是无线接口的例子可以包括天线、无线收发器(比如偶极天线)。另外，I/O设备320可以用数字输出的形式(如果已经存储数字信息)或者以模拟输出的形式(如果已经存储模拟信息)供应如下电压，该电压代表存储的信息。最后清楚可以对这里描述和图示的设备进行修改和变化而未脱离如在所附权利要求中限定的本发明的保护范围。具体而言，集成加速计和陀螺仪的功能的可能性并非仅限于描述的微结构的配置、但是可以有利地与具有相位相反的成对可移动质量体的任何微结构一起利用。为了减少由于乱真机械耦合所致的任何错误风险，因此有可能使用将多个质量体的系统而不是每个个别感测质量体与用于驱动的辅助质量体和相对于驱动质量体具有自由度的可移动质量体一起使用。此外，清楚地可以使用可能以持久方式连接到微结构的多个读取链而不是时分连接到各种端子的单个链。
权利要求
1.一种微机电设备，包括支撑结构(12 ；112 ；212)；第一感测质量体(13a ；113a ；213a)和第二感测质量体(13b ；113b ;213b)，均根据第一轴(X ；X, Y)并且各自根据与所述第一轴(X ；X, Y)垂直的相应第二轴(Y ；Ra, Rb 'Y，X，Ra，Rb，Re, Rd)相对于所述支撑结构(12 ；112 ；212)可移动；驱动设备(3)，配置成将所述第一感测质量体(13a;113a;213a)和所述第二感测质量体(13b ；113b ；213b)维持于相位相反的沿着所述第一轴(X ；X, Y)的振荡；第一感测组和第二感测组(18 ；118 ;218，220)，配置成供应感测信号(S (Cal)-S (Cb2)；S (Cal)-S (Cd4))，所述感测信号(S(Cal)-S (Cb2) ；S (Cal)-S (Cd4))指示所述第一感测质量体(13a ；113a ；213a)和所述第二感测质量体(13b ；113b ；213b)分别根据所述相应第二轴(Y ；Ra, Rb ；Y, X，Ζ，Ra，Rb，Re，Rd)的移位；处理部件(7，8)，配置成在第一感测模式中和在第二感测模式中组合所述感测信号(SCal-SCb2 ;SCal_SCd4)以便在所述第一感测模式中，放大所述第一感测质量体(13a;113a;213a)和所述第二感测质量体(13b ;113b ;213b)的协调移位对所述感测信号(S(Cal)-S(Cb2) ；S(Cal)-S(Cd4))的影响并且衰减所述第一感测质量体(13a ；113a ；213a)和所述第二感测质量体(13b ；113b ；213b)的不协调移位的影响；并且在所述第二感测模式中，放大所述第一感测质量体(13a;113a;213a)和所述第二感测质量体(13b ；113b ；213b)的不协调移位对所述感测信号(S (Cal) -S (Cb2)；S(Cal)-S(Cd4))的影响并且衰减所述第一感测质量体(13a;113a;213a)和所述第二感测质量体(13b ；113b ；213b)的协调移位的影响。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理部件(7，8)被配置成组合所述感测信号(SCal-SCb2 ;SCal_SCd4)以便在所述第一感测模式中，增添所述支撑结构(12 ；112 ；212)沿着与所述第一轴(X ；X,Y)垂直的感测轴(Y ；Z ；Y, X，Ζ)的加速所引起的所述第一感测质量体(13a ；113a ；213a)和所述第二感测质量体(13b;113b;213b)的移位对所述感测信号(S(Cal)-S(Cb2)；S(Cal)-S(Cd4))的影响，并且衰减所述支撑结构(12;112;212)绕着与所述第一轴(X ;X，Y)垂直的第三轴(Ζ ；Y ;Ζ，Χ，Υ)的旋转所引起的所述第一感测质量体(13a ；113a ；213a)和所述第二感测质量体(13b ；113b ；213b)的移位与沿所述第一轴(X ；X, Y)的所述振荡的组合对所述感测信号(S(Cal)-S (Cb2) ；S (Cal)-S (Cd4))的影响；并且在所述第二感测模式中，增添所述支撑结构(12;112;212)绕着所述第三轴(Ζ ；Y；Ζ，X，Y)的旋转所引起的所述第一感测质量体(13a;113a;213a)和所述第二感测质量体(13b ；113b ；213b)的移位与沿所述第一轴(X ；X, Y)的所述振荡的组合对所述感测信号(S(Cal)-S(Cb2) ；S(Cal)-S (Cd4))的影响，并且衰减所述支撑结构(12 ；112 ；212)根据所述感测轴(Y;Z ；Υ, X，Ζ)的加速所引起的所述第一感测质量体(13a;113a;213a)和所述第二感测质量体(13b;113b;213b)的移位对所述感测信号(S(Cal)-S(Cb2)；S(Cal)-S (Cd4))的影响。
3.根据权利要求1或者2所述的设备，其中所述第一感测组和所述第二感测组(18；118 ；218,220)为电容型，并且配置成响应于所述第一感测质量体(13a ;113a ;213a)和所述第二感测质量体(13b ；113b ；213b)的协调移位呈现协调电容变化而响应于所述第一感测质量体(13a ；113a ；213a)和所述第二感测质量体(13b ；113b ；213b)的不协调移位呈现不协调电容变化。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一感测组和所述第二感测组(18;118;218,220)为差分型。
5.根据权利要求3或者4所述的设备，包括差分感测接口(8)和路由级(7)，配置成在所述第一感测模式与所述第二感测模式之间反转所述第一感测组和所述第二感测组(18 ；118 ；218,220)之一到所述感测接口⑶的输入的连接。
6.根据权利要求3至5中的任一权利要求所述的设备，其中所述第一感测质量体(13a ；213a)和所述第二感测质量体(13b ；213b)被约束至所述支撑结构以便沿着所述第二轴⑴平移。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一感测组和所述第二感测组(18)包括相应的第一固定感测电极(19a)和第二固定感测电极(19b)，锚定到所述支撑结构(12);以及相应的可移动感测电极(20)，各自锚定到所述第一感测质量体(13a;213a)和所述第二感测质量体(13b ；213b)中的相应感测质量体并且插入于相应的第一固定感测电极(19a)与第二固定感测电极(1%)之间。
8.根据权利要求8所述的设备，其中所述第一感测组和所述第二感测组(18)为平行板型，并且所述第一固定感测电极(19a)和所述第二固定感测电极(19b)以及所述可移动感测电极(20)与所述第二轴垂直。
9.根据权利要求3至5中的任一权利要求所述的设备，其中所述第一感测质量体(113a ；213a)和所述第二感测质量体(113b ；213b)被约束至所述支撑结构以便绕着相应旋转轴(Ra，Rb)旋转。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一感测组和所述第二感测组(118)包括相应的第一固定感测电极(119a)和第二固定感测电极(11%)以及相应的第一可移动感测电极(120a)和第二可移动感测电极(120b)；所述第一可移动感测电极(120a)和所述第二可移动感测电极(120b)布置于所述第一感测质量体(113a)和所述第二感测质量体(113b)中的相应感测质量体的朝着所述支撑结构(112)的面上；在所述第一感测质量体(113a)上和在所述第二感测质量体(113b)上，相应的所述第一可移动感测电极(120a)和第二可移动感测电极(120b)在所述相应旋转轴(Ra，Rb)的相反侧上。
11.根据任一前述权利要求所述的设备，包括第三感测质量体(213C)和第四感测质量体(213d)，均根据与所述第一轴(X，Y)垂直的辅助轴(Y)并且各自根据与所述第一轴(X，Y)垂直的相应的又一第二轴(Y，X，Ra，Rb，Re，Rd)相对于所述支撑结构(212)可移动。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述第三感测质量体(213c)和所述第四感测质量体(213d)通过弹性耦合元件(214b)机械耦合到所述第一感测质量体(113a)和到所述第二感测质量体(113b)，所述弹性耦合元件(214b)被配置成从所述第一感测质量体(113a)和从所述第二感测质量体(113b)向所述第三感测质量体(213c)和向所述第四感测质量体(213d)传播所述振荡，从而所述第三感测质量体(213c)和所述第四感测质量体(213d)根据所述辅助轴(Y)相位相反地振荡。
13.根据权利要求11或者12所述的设备，包括第三感测组和第四感测组(18;118;.218，220)，配置成供应感测信号(S(Ccl)-S(Cd4))，所述感测信号(S (Cd)-S (Cd4))指示所述第三感测质量体(213c)和所述第四感测质量体(213d)的分别根据所述相应第二轴(Re，Rd)的移位。
14.根据任一前述权利要求所述的设备，包括对于每个感测质量体而言，又一感测组，用于感测所述相应感测质量体根据又一轴的移位。
15.一种电子系统，包括控制单元(310);以及耦合到所述控制单元(310)的根据任一前述权利要求所述的微机电传感器(I)。
全文摘要
本发明的实施例涉及一种含有陀螺仪和加速计的微机电设备。该微机电设备包括支撑结构；两个感测质量体，根据第一轴和相应第二轴相对于所述支撑结构可移动；驱动设备，用于将感测质量体维持于相位相反的沿着第一轴的振荡；感测单元，用于供应感测信号，感测信号指示感测质量体分别根据相应第二轴的移位；处理部件，用于组合感测信号以便在第一感测模式中放大感测质量体的协调移位对感测信号的影响并且衰减不协调移位的影响；并且在第二感测模式中放大感测质量体的不协调移位对感测信号的影响并且衰减协调移位的影响。
文档编号G01P15/14GK102997905SQ20121032316
公开日2013年3月27日 申请日期2012年8月28日 优先权日2011年9月12日
发明者B·希莫尼, C·瓦尔扎希纳 申请人:意法半导体股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
