具有对由于诸如正交分量之类的扰动力所致的误差补偿的微机电设备的制作方法

本公开涉及具有由于由诸如正交分量之类的扰动力所致的的误差补偿的微机电设备。

背景技术：

如已知的，mems(微机电系统)由于它们的小尺寸、与消费者应用兼容的成本、以及它们与日俱增的可靠性而以日益广泛的方式被用在不同的应用中。特别是，利用这一技术，制造了诸如微集成的陀螺仪和机电振荡器之类的惯性传感器。

这一类型的mems通常基于微机电结构，该微机电结构包括支撑体以及通过弹簧或“曲部(flexure)”耦合到支撑体的至少一个可移动质量块(mobilemass)。弹簧被配置用于使得可移动质量块能够根据一个或多个自由度相对于支撑体振荡。可移动质量块电容耦合到支撑体上的多个固定电极，从而形成电容可变的电容器。可移动质量块相对于支撑体上的固定电极的移动(例如在外力的作用下)修改电容器的电容；从而，检测可移动质量块相对于支撑体的位移以及外力是可能的。代之，当供应适合的偏置电压(例如通过驱动电极的分立集)时，可移动质量块可经受使其移动的静电力。

为了获得微机电振荡器，通常利用mems结构的频率响应，其是二阶低通类型的，并且具有共振频率。

特别是，mems陀螺仪具有复杂的机电结构，其通常包括相对于支撑体可移动的至少两个质量块，该至少两个质量块彼此耦合以便于具有若干自由度(这依赖于系统的架构)。在大多数情况下，每个可移动质量块具有一个或两个自由度。可移动质量块电容通过固定的和可移动的感测和驱动电极而耦合到支撑体。

在具有两个可移动质量块的实现方式中，第一可移动质量块专用于驱动并且保持以共振频率、受控振荡振幅振荡。第二可移动质量块通过振荡(平移或旋转)运动来驱动，并且在微结构关于陀螺仪轴以角速度旋转的情况下，第二可移动质量块受到与角速度本身成比例的科里奥利力(coriolisforce)。在实践中，第二(被驱动的)可移动质量块充当加速度计，其使得能够检测科里奥利力和检测角速度。在另一实现方式中，单个悬挂质量块耦合到支撑体，以相对于支撑体可移动，其中具有两个独立的自由度，并且精确地具有一个驱动自由度和一个感测自由度。感测自由度可以包括可移动质量块在平面中的移动(“平面中移动”)或与平面垂直的移动(“平面外移动”)。驱动设备使悬挂质量块保持根据两个自由度之一的受控振荡。响应于支撑体关于感测轴的旋转(由于科里奥利力)，悬挂质量块基于另一自由度移动。

如已经提到的，为了使得mems陀螺仪能够正常操作，施加使悬挂质量块保持以共振频率振荡的驱动力。然后，读数设备检测悬挂质量块的位移。这些位移表示科里奥利力和角速度，并且可以使用与第二(被驱动的)质量块和固定电极之间的电容变化相关的电读数信号来检测。

然而，mems陀螺仪具有复杂的结构，并经常具有在悬挂质量块和支撑体之间的非理想机电相互作用。因此，有用信号分量与寄生(spurious)分量混合，寄生分量对角速度的测量没有贡献。寄生分量可以依赖于各种起因。例如，制造缺陷和过程扩展(processspread)可能是不可避免的噪声源，其影响是不可预见的。

常见的缺陷依赖于如下事实，驱动质量块的振荡方向不完全匹配设计阶段中期望的自由度。这一缺陷通常是由于悬挂质量块和支撑体之间的弹性连接中的缺陷，并且造成沿着角速度的检测自由度指向的力的开始(onset)。这一力转而生成误差(称为“正交误差”)，这是由于未知振幅、以与载体相同的频率、并且具有90°相移的信号分量。

在一些情况下，正交分量如此大，以致它们不可以简单地忽略，而不引入显著误差。通常，在制造过程结束时，使用校准因子以便将误差降低在可接受的边限内。然而，在许多情况下，问题并未完全解决，因为正交振荡的振幅可以在设备的寿命期间变化。特别是，支撑体可能经受由于机械应力或温度变化所致的变形。转而，支撑体的变形可能会造成质量块的移动并且因此正交分量的不可预见的变化，正交分量不再有效地被补偿。

技术实现要素：

本公开的一个或多个实施例可以降低如上面提到的mems设备中正交振荡的发生率。

根据本公开的一个实施例，提供微机电设备。在实践中，设备使用动态吸收器，动态吸收器能够补偿其可以对悬挂质量块造成不期望位移的诸如惯性系统的正交分量之类的不期望力。为了这一目的，动态吸收器包括调谐阻尼质量块，调谐阻尼质量块固定到悬挂质量块或悬挂质量块系统，并且被配置为具有调谐到待补偿的不期望力的自然频率。以这种方式，阻尼质量块降低悬挂质量块的动态响应并且使其稳定。

微机电设备的一个实施例使用两个质量块，其中一个相对于支撑体可移动并且弹性连接到支撑体。这一可移动质量块耦合到基板，以便于具有分别专用于驱动和移动感测(此处在平面外，作为科里奥利力的结果)的两个自由度。另一质量块作为动态吸收器。

附图说明

为了更好地理解本公开内容，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图来描述其优选实施例，在附图中：

图1是依照一个实施例的设备的简化框图；

图2示出图1的设备的传递函数的振幅和相位波德图(bodediagram)；

图3示出用于补偿mems微结构的正交分量的结构的示意性实施例；

图4示出图3的结构的移动的仿真；

图5a示出提供具有图3的补偿结构的mems陀螺仪的可能实施例的简化图；

图5b是在放大比例尺下的图5a的陀螺仪的一部分的俯视图；以及

图6示出并入mems陀螺仪的电子系统的简化框图。

具体实施方式

为了理解本公开的方面，将参照图1，图1示出具有两个自由度(虽然以下考虑还适用于具有n个自由度的系统)的诸如陀螺仪之类的mems设备1的框图。

图1示意性地示出以其基本元件关于根据一个自由度的动态行为(在沿z轴的例如正交分量的不期望分量存在的情况下，沿这一轴的位移)而示意性地表示的mems设备1，从而忽略任何在其它方向上的移动。从而，下文中的考虑目的在于强调在所考虑的方向上的不期望力的效果被抵消的条件。

mems设备1包括悬挂质量块2和阻尼质量块3。悬挂质量块2通过具有弹性常数k1的弹簧5的第一系统约束至支撑体4，并且通过具有弹性常数k2的弹簧6的第二系统约束至阻尼质量块3。

假设f是感测方向z上的以驱动频率ω的正弦类型的正交力(f＝f0sin(ωt))。正交力f造成mems设备1在感测方向上的位移，如由以下方程组所描述的：

其中z1是悬挂质量块2的位移，z2是阻尼质量块3的位移，并且k1、k2是弹簧的弹性常数。

方程组(1)的解由正弦类型的位移给出：

z1(t)＝z1sin(ωt)

z2(t)＝z2sin(ωt)

为了简化，设：

其中ω11和ω22是悬挂质量块2的自然频率和阻尼质量块3的自然频率，并且替代方程组(1)中的z1、z2、f0、ω11和ω22，得到

针对z1和z2求解方程组(2)，并且使它们相对于z0(如上面定义的)归一化，得到：

从方程(3a)可以注意到，当ω＝ω22时(即当以阻尼质量块3的自然频率驱动设备1时)，质量块m1(图1的悬挂质量块2)的位移可以变为零(z1＝0)。由方程(3a)描述的传递函数z1/z0的波德图示出在图2a和图2b中。如可以注意到的：

-在阻尼质量块3的自然频率ω22处，由于正交力f，悬挂质量块2的位移x1的振幅具有最小值；

-在自然频率ω22的两侧存在两个峰，并且分别对应于同相模15和反相模16，其中悬挂质量块2和阻尼质量块3相对于中心、相对于彼此同相或反相地移动；

-阻尼质量块3在其自然频率ω22处的相对位移z2/z0等于弹性常数的比率z2/z0＝k1/k2；

-阻尼质量块3使悬挂质量块2的振荡的振幅z1减幅；以及

-在阻尼质量块3的自然频率ω22处，悬挂质量块2受到沿感测方向z具有零合力的力系统。

因此，通过以阻尼质量块3的自然频率ω22来致动mems设备1，悬挂质量块2在所考虑的方向上不会经历由正交力造成的位移。在实践中，阻尼质量块3作为陷波滤波器或动态吸收器与用于稳定摩天大楼和抗震建筑的已知解决方案类似地进行操作。

当期望阻止感测方向上的寄生位移时，可以在mems设备中利用这一行为。

图3和图4示出一般mems设备10中的正交分量阻尼解决方案的可能实施例。

此处，悬挂质量块2围绕阻尼质量块3，并且经由锚固区域12和第一弹簧5锚固到支撑体11(图4)。如图1中的，悬挂质量块2通过第二弹簧(耦合弹簧)6弹性耦合到阻尼质量块3。第二弹簧6也包括在悬挂质量块2的总尺寸内，并且布置在悬挂质量块2和阻尼质量块3之间。

悬挂质量块2和阻尼质量块3形成在例如诸如单晶或多晶硅之类的半导体材料的同一结构层14中，并且悬挂在支撑体11(例如诸如单晶硅之类的半导体材料的基板)之上。

悬挂质量块2在箭头7(方向x)的方向上被驱动，并且由于弹簧5，可以在方向z(感测方向)上移动。为了这一目的，固定电极(未示出)形成在支撑体11之上，并且以已知方式电容耦合到悬挂质量块2。

如先前所解释的，作为正交误差的结果，不期望的力在垂直于质量块2、3的平面的方向z上作用于质量块2和3上。由于阻尼质量块3的存在并且通过以阻尼质量块3的自然频率ω22驱动悬挂质量块2，这一力在悬挂质量块2上得到补偿，并且基本上不会造成其在方向z上的位移。代之，如图4所示，阻尼质量块3经历具有沿z轴的分量的移动。以这种方式，悬挂质量块2在方向z上的任何移动都是由于不同外力，并且从而可以基本上无误差地被检测。

使用上面描述的操作原理的陀螺仪的实施例示出在图5a中。图5a示出具有由第一、第二和第三锚固区域25a、25b和25c支撑的四个感测质量块21-24的陀螺仪20。支撑区域25a、25b和25c可以连接到例如单晶硅的、与图4的支撑体11相似的半导体基板(图中未示出)。

可移动质量块21-24(全部都是诸如多晶硅之类的掺杂半导体材料的)由具有大致梯形形状的、相对于陀螺仪20的中心c成对对称地并且在静止条件下平行于绘图平面(平面xy)布置的相应的板来限定。具体而言，第一感测质量块21和第二感测质量块23沿第一驱动轴d1被驱动，并且相对于垂直于d1的第二驱动轴d2彼此对称地布置。第三感测质量块22和第四感测质量块24相对于第一驱动轴d1彼此对称地布置，并且沿第二驱动轴d2被驱动。

第一和第二感测质量块21、23通过第一弹性弹簧30连接到第一锚固区域25a。第三和第四感测质量块22、24通过两个驱动结构27连接到第一和第二锚固区域25a、25b，驱动结构27布置在第三和第四感测质量块22、24的侧向和外部(相对于中心c)。详细地，第三和第四感测质量块22、24通过第二弹性弹簧31连接到驱动结构27，并且驱动结构27通过第三和第四弹性弹簧32、33连接到第一和第二锚固区域25a、25b。第一和第二感测质量块21、23通过第五弹性弹簧35进一步连接到驱动结构27。最后，感测质量块21-24通过第六弹性弹簧36耦合到具有正方环形形状的中心桥26。中心桥26转而通过第七弹性弹簧37耦合到第三锚固区域25c。

弹性弹簧30-37被配置为向感测质量块21-24提供相对于支撑区域25a-25c的两个自由度。更精确地，第五弹性弹簧35被配置为使得第一和第二感测质量块21和23沿第一驱动轴d1平移，而第三弹性弹簧33被配置为使得第三和第四感测质量块22和24沿第二驱动轴d2平移。第一、第五和第六弹簧30、35、36进一步使得第一和第二感测质量块21和23能够关于彼此平行的、并且垂直于第一驱动轴d1的相应感测轴a1、a2倾斜。第二和第六弹簧32、36进一步使得第二和第四感测质量块22和24能够关于彼此平行的、并且垂直于第二驱动轴d2的相应感测轴a3、a4倾斜。

驱动轴d1、d2和感测轴a1-a4全部平行于平面xy。

中心桥26由具有基本中空的四边形形状的刚性半导体元件限定，并且转而关于第一和第二驱动轴d1、d2独立地可倾斜。以这种方式，第一和第二感测质量块21、23关于相应感测轴a1、a2二者都顺时针旋转或二者都逆时针旋转。同样地，第三和第四感测质量块22、24关于相应感测轴a3、a4二者都顺时针旋转或二者都逆时针旋转。也就是说，第一、第二、第三和第四感测质量块21、22、23、24进出页面地旋转。

此处，驱动结构27均由两个驱动单元47和驱动检测单元38形成。如图5b所示，单元38由相互成梳指状的固定电极40和可移动电极41的集形成。固定电极40以未示出的方式连接到基板。可移动电极41连接到用于每个驱动结构27的可移动框架43，框架以上面描述的方式连接到感测质量块21-14。

特别是，并且以已知的方式，对驱动单元47的电极40、41加偏压，以便于在固定和可移动电极40、41之间生成静电吸引力或排斥力。这些力造成可移动框架43在第二驱动轴d2的方向上的移动。如上面提到的，可移动框架43的这一移动直接且平行地传递到第二和第四感测质量块22、24，并且作为第六弹性弹簧35的配置的结果，垂直地传递到第一和第三感测质量块21、23。

以本来已知的方式，驱动检测单元38通过其自己的固定电极55和可移动电极56来检测由驱动单元47给予的有效移动，以便确保精确控制。

以已知且未示出的方式，感测电极形成在基板上、在感测质量块21-24之下，以检测感测质量块21-24在方向z上的移动。

每个感测质量块21-24进一步承载相应的阻尼质量块45。如图3的情况中的，每个阻尼质量块45形成在相应的感测质量块21-24的周界内，并且通过对应于图3的第二弹簧6的双侧弹簧46弹性地耦合到相应的感测质量块21-24。

阻尼质量块45是相等的，并且被提供在例如多晶硅层的同一结构层中，并且全部以相同的方式来支撑，以便于具有相同的自然频率ω22。

如上面讨论的，通过以这样的方式对驱动单元47加偏压使得固定电极41和可移动电极42以与阻尼质量块45的自然频率ω22(陷波频率)相等的频率(驱动频率)彼此吸引和排斥，感测质量块21-24不会由于正交力而经历在沿z轴的相应感测方向上的位移。因此，读数不会受到正交分量的影响。

在使用中，驱动检测单元38连接到控制电路(未示出)，该控制电路例如连同陀螺仪20的控制和读数算法一起形成在asic(专用集成电路)中，其使得能够(闭环)精确控制驱动频率，以使其保持等于陷波频率或者在可变的预设范围内。

从而，调谐机械阻尼滤波器的使用使得能够降低由正交力和其它外部机械力造成的在预设频率下的振荡的振幅。在陀螺仪的特定情况下，有两个主要的优点：

-由于正交力而待补偿的电信号比已知实现方式中的低得多；这导致asic补偿链的消耗和输出噪声的降低；

-由于正交分量的振幅降低，由在设备的使用寿命期间结构变形所致的变化按比例降低。

机械滤波器的实现方式不需要微结构的制造步骤的变化，而是其布局的适当设计和修改便已足够。

驱动频率的控制是简单的。在一些情况下，由于有时mems结构已经具有驱动控制系统，不要求附加部件。在任何情况下，驱动检测单元38的插入不需要任何mems结构的重新设计，并且用于控制振荡频率的例程可以被集成在asic中。

图6图示根据本公开的实施例的电子系统100的一部分。系统100并入了陀螺仪20，并且可以用在以下设备中，诸如例如平板、膝上型或便携式计算机(例如具有无线能力)、智能电话、可穿戴设备、消息收发设备、数字音乐播放器、数字照片或视频相机、或者被设计用于处理、存储、传输或接收信息的其它设备。例如，陀螺仪20可以用在数字视频相机中以检测移动和执行图像稳定。在其它实施例中，陀螺仪20可以被包括在便携式计算机、pda或智能电话中，以用于检测自由下落状态和激活安全配置，或者以用于激活或控制基于设备运动的功能。在进一步的实施例中，陀螺仪20可以被包括在用于计算机或者视频游戏的控制台的运动激活的用户接口中。再次，陀螺仪20可以并入在卫星导航设备中，并且用于在丢失卫星定位信号的情况下临时跟踪位置。

电子系统100可以包括通过总线150耦合在一起的控制器110、例如键盘或显示器的输入/输出设备120、mems设备1、无线接口140、以及易失性或非易失性类型的存储器160。在一个实施例中，电池180可以向系统100供电。应该注意的是，本公开的范围并不限于必定具有所提到的设备中的一个或全部的实施例。

例如，控制器110可以包括一个或多个微处理器、微控制器等。例如，控制器110可以形成在asic中，并且包括用于在驱动检测单元38供应的信号的基础上控制驱动频率的部件和算法。

输入/输出设备120可以用于生成消息。系统100可以使用无线接口140来利用射频信号向无线通信网络发送消息并接收来自无线通信网络的消息。无线接口的示例可以包括天线、诸如偶极天线之类的无线收发机，虽然本公开不限于此。此外，输入/输出设备120可以供应表示以数字或模拟形式所存储的内容的电压。

最后，要清楚的是，可以对本文中描述和图示的解决方案做出修改和变化，而不因此脱离本公开的范围。

特别是，所述类型的机械滤波器的使用可以以各种类型的惯性式mems微结构来实现。

此外，通过向每个自由度提供适当的调谐阻尼器，这一解决方案可以适用于具有不同数目的自由度的微结构。

可以组合以上描述的各种实施例，以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例做出这些和其它改变。总体上，在所附权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能实施例连同这种权利要求被赋予的等效物的全范围。据此，权利要求不受公开内容的限制。