CN111879303B - 电容式mems陀螺仪及其加快起振速度的方法 - Google Patents

电容式mems陀螺仪及其加快起振速度的方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

电容式MEMS陀螺仪及其加快起振速度的方法
技术领域
本发明涉及微机电***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***)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*Vac*Vdc (1)
式中，C1为驱动电极在驱动方向上的电容变化率；Vac为施加在可动极板上的交流信号；Vdc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。
进一步地，所述电容式MEMS陀螺仪包括启用状态和停用状态。
进一步地，当所述陀螺仪由所述停用状态进入所述启用状态时，设置所述第二开关关断，所述第一开关和所述第三开关导通，满足第一预设条件后，设置所述第一开关和所述第三开关关断，所述第二开关导通，满足第二预设条件后，设置所述第二开关关断，所述第一开关和所述第三开关导通。
进一步地，所述第一预设条件在于实现为所述可动质量块和所述衬底所构成的寄生电容完成充电。
进一步地，所述第二预设条件在于使所述可动质量块得振动幅度达到预定值。
进一步地，所述第一预设条件和/或所述第二预设条件为预设时间。
进一步地，所述直流信号端由电荷泵提供。
本发明还提供了一种加快电容式MEMS陀螺仪起振速度的方法，其包括：
为可动质量块和衬底所构成的寄生电容充电；
充电断开以保持所述可动质量块上的电荷；
改变所述衬底的电位，从而提高所述可动质量块对地的电位差。
进一步地，为所述寄生电容充电时，所述可动质量块接直流信号端，所述衬底接地。
进一步地，通过将所述直流信号端接所述衬底，以改变所述衬底的电位，从而提高所述可动质量块对地的电位差。
本发明的电容式MEMS陀螺仪及其加快起振速度的方法，通过对陀螺仪结构的设置和工作方式的调整，来增大陀螺仪起振时作用于可动质量块的静电驱动力，加快了陀螺仪的起振速度，从而缩短陀螺仪从低功耗待机状态到唤醒正常工作之间所需的时间。本发明的技术方案基于现有的陀螺仪的结构和制造工艺，无需增加芯片面积以及调整工艺平台的耐压等级，即可有效地加快陀螺仪起振速度，整体方案成本低、易于实现。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的等效电路结构示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。
图1示出了本实施例的电容式MEMS陀螺仪的结构示意图，其中包括可动质量块100、固定锚点201～204、弹性梁301～304、固定电极401～408、衬底500，可动质量块100与衬底500间隔设置。
可动质量块100分别通过弹性梁301～304与固定锚点201～204相连接，弹性梁301～304的结构适于可动质量块100沿X方向和Y方向活动，在本实施例中X方向为检测方向，Y方向为驱动方向。
固定电极401、402和固定电极403、404沿X方向对称地设置在可动质量块100的两侧。可动质量块100和固定电极401～404上设置有相配合的梳齿对，从而可动质量块100与固定电极401～404分别构成驱动电容C1～C4，驱动电容C1～C4的电容值均记为Cdr，驱动电容C1～C4在驱动方向上的电容变化率记为Cdr1。
当陀螺仪正常工作时，在可动质量块100上加载直流信号，在固定电极401～404上加载交流信号，上述直流和交流驱动信号通常都由电路芯片产生，直流信号和交流信号两者共地，直流信号通常由电荷泵产生，即把可动质量快100电连接至电路芯片的电荷泵上，衬底500电连接至电路芯片的地线上以起到屏蔽外界干扰的作用。电路芯片输出的交流驱动信号分为幅度相同、相位相反的两路，分别加载在固定电极401、402和固定电极403、404上，根据公式(1)，每一对驱动电容，如驱动电容C1和C3，提供给可动质量块100的静电驱动力的合力F1为
F1＝2*Cdr1*Vac*Vdc (2)
式中，Cdr1为驱动电容在驱动方向上的电容变化率；Vac为施加在固定电极上的交流信号；Vdc为施加在可动质量块100上的直流信号。从而可动质量块100在静电驱动力的作用下沿Y方向振动，即在驱动方向上振动。
固定电极405、406和固定电极407、408沿Y方向对称地设置在可动质量块100的两侧。可动质量块100和固定电极405～408上设置有相配合的梳齿对，从而可动质量块100与固定电极405～408分别构成检测电容C5～C8，检测电容C5～C8的电容值均记为Csns。当可动质量块100检测到沿Z方向旋转角速度时，可动质量块100会受到沿Y方向的科里奥利力，从而使其在Y方向发生振动，即在驱动方向上振动。随着可动质量块100由于科里奥利力而在检测方向上振动时，检测电容C5～C8的电容极板间距也发生相应变化，通过后续的电容检测电路，读取出检测电容C5～C8的电容值变化即可实现对角速度的测量。
可动质量块100与衬底构成寄生电容C9，寄生电容C9的电容值记为Csub，并且Csub＞＞4*Cdr+4*Csns。
图2示出了本实施例的电容式MEMS陀螺仪的等效电路结构示意图，其中可动质量块100与衬底500构成寄生电容C9，直流信号端600可提供直流信号Vdc，直流信号端600经过开关S1电连接可动质量块100；直流信号端600经过开关S2电连接衬底500；直流信号端600依次经过开关S2和开关S3电连接地线700；衬底500经过开关S3电连接地线700。直流信号端600由电路芯片的电荷泵提供。
本实施的电容式MEMS陀螺仪包括启用状态和停用状态，其中启用状态对应于陀螺仪的启动和正常工作阶段，正常工作期间需要持续外加直流和交流信号使其保持在谐振状态；停用状态对应于陀螺仪的低功耗待机状态，此时无需外加直流和交流信号，从而节省能耗，仅当应用中需要用到陀螺仪时，才将其唤醒即使其进入启用状态。
当陀螺仪由停用状态进入启用状态时，将开关S2关断，开关S1和开关S3闭合，此时直流信号端600和地线700分别电连接至寄生电容C9的两极板，具体为可动质量块100电连接直流信号端600，衬底500电连接地线700，此时可动质量块100上的电位为Vdc，从而为寄生电容C9充电，将可动质量块100上的电荷量积累至Vdc*Csub，然后再将开关S1和开关S3关断，此时可动质量块100电学上悬空，其所带电荷量仍然维持不变，但其电位不再由直流信号端600的电位决定。
鉴于寄生电容C9直流充电的速度非常快，在一些实施例中，开关S1和开关S3闭合后，经过一短暂的预设时间，再将开关S1和开关S3关断，即可满足将可动质量块100上的电荷量积累至Vdc*Csub。
在开关S1和开关S3关断后，闭合开关S2，此时衬底500电连接直流信号端600，衬底500的电位由直流信号端600决定，即衬底500的电位为Vdc，将可动质量块100的电位记为Vx，由于可动质量块100电学上悬空，其所带的电荷量维持不变，根据电荷守恒可得：
(Vx-Vdc)*Csub＝Vdc*Csub (3)
由公式(3)可得：
Vx＝2*Vdc (4)
可动质量块100相对于地线700的电压较陀螺仪正常工作时提高了一倍，并且由于该电压并没有直接加载在电路芯片上，所以其电压幅度不受电路芯片耐压能力的限制。
此时每一对驱动电容，如驱动电容C1和C3，提供给可动质量块100的静电驱动力的合力F2为
F2＝2*Cdr1*Vac*Vx (5)
根据公式(2)(3)(5)可知，
F2＝2*F1 (6)
作用于可动质量块100的驱动力较陀螺仪正常工作时增大一倍，从而其驱动幅度可以更快地达到目标值，减少了用户的等待时间。
当电路芯片检测到驱动幅度达到目标值后，关断开关S2，闭合开关S1和开关S3，以维持振幅同时使衬底500接地以屏蔽外界干扰。在另一些实施例中，设置经过预设时间后，再关断开关S2，闭合开关S1和开关S3。
本实施例在不改变芯片尺寸和已有工艺的情况下，通过相应开关结构的设置以及调整图2中电路的工作方式来增大陀螺仪起振时作用于可动质量块的静电驱动力，加快了陀螺仪的起振速度，从而缩短陀螺仪从低功耗待机状态到唤醒正常工作之间所需的时间。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，包括启用状态和停用状态。
3.如权利要求2所述的电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，当所述陀螺仪由所述停用状态进入所述启用状态时，设置所述第二开关关断，所述第一开关和所述第三开关导通，满足第一预设条件后，设置所述第一开关和所述第三开关关断，所述第二开关导通，满足第二预设条件后，设置所述第二开关关断，所述第一开关和所述第三开关导通。
4.如权利要求3所述的电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一预设条件在于实现为所述可动质量块和所述衬底所构成的寄生电容完成充电。
5.如权利要求3所述的电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第二预设条件在于使所述可动质量块得振动幅度达到预定值。
6.如权利要求3所述的电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一预设条件和/或所述第二预设条件为预设时间。
7.如权利要求1所述的电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，所述直流信号端由电荷泵提供。
8.一种加快电容式MEMS陀螺仪起振速度的方法，其特征在于，包括：
将可动质量块接直流信号端，衬底接地，从而为所述可动质量块和所述衬底所构成的寄生电容充电；
将所述可动质量块与所述直流信号端断开，将所述衬底与地断开，以保持所述可动质量块上的电荷；
将所述衬底接所述直流信号端，从而提高所述可动质量块对地的电位差。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在将所述衬底接所述直流信号端后，当检测到所述可动质量块的驱动幅度达到目标值，则将所述衬底与所述直流信号端断开，而将所述可动质量块接所述直流信号端，所述衬底接地。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在将所述衬底接所述直流信号端并经过预设时间后，将所述衬底与所述直流信号端断开，而将所述可动质量块接所述直流信号端，所述衬底接地。
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Address after: 312030 Building 5, intelligent innovation center, 487 Kebei Avenue, Keqiao Economic and Technological Development Zone, Keqiao District, Shaoxing City, Zhejiang Province

Applicant after: Shendi semiconductor (Shaoxing) Co.,Ltd.

Address before: No.28, Lane 555, huanqiao Road, Pudong New Area, Shanghai, 201203

Applicant before: SENODIA TECHNOLOGIES (SHANGHAI) Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
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