本發(fā)明大體上涉及微機(jī)電系統(tǒng)(mems)裝置。更確切地說，本發(fā)明涉及mems裝置的電容增強(qiáng)，例如角速率傳感器。

背景技術(shù)：

近年來，微機(jī)電系統(tǒng)(mems)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛普及，因?yàn)樗峁┝艘环N方法來制造極小的機(jī)械結(jié)構(gòu)并使用常規(guī)分批半導(dǎo)體處理技術(shù)將這些結(jié)構(gòu)與電氣裝置在單個(gè)基板上集成。mems的一個(gè)常見應(yīng)用是傳感器裝置的設(shè)計(jì)和制造。mems傳感器裝置廣泛用于汽車、慣性引導(dǎo)系統(tǒng)、家用電器、比賽裝置、用于各種裝置的保護(hù)系統(tǒng)以及許多其它工業(yè)、科學(xué)和工程系統(tǒng)等應(yīng)用。mems傳感器的一個(gè)例子是mems角速率傳感器。mems陀螺傳感器，可替代地被稱作“陀螺儀”、“陀螺測試儀”、“振動(dòng)速率陀螺儀”、“陀螺儀傳感器”或“橫擺速率傳感器”，其是感測角速度或圍繞一個(gè)或多個(gè)軸的速度的角速率傳感器。

在振動(dòng)角速率傳感器中，一個(gè)固有的問題是存在所不希望的干擾信號(hào)，這個(gè)干擾信號(hào)被稱作正交運(yùn)動(dòng)或正交誤差。正交運(yùn)動(dòng)被定義為驅(qū)動(dòng)模式位移到角速率傳感器的感測模式的直接耦合。通常，由于準(zhǔn)許感測質(zhì)量塊響應(yīng)于正交方向上的驅(qū)動(dòng)模式位移而相對(duì)于感測軸振蕩的制造缺陷，正交運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在振動(dòng)角速率傳感器中。這種振蕩可能會(huì)與科氏加速度混淆，并在在之后可能會(huì)與旋轉(zhuǎn)速率混淆。正交運(yùn)動(dòng)可使裝置產(chǎn)生偏移誤差、動(dòng)態(tài)范圍減小以及噪聲增加。較大的正交誤差甚至可能會(huì)使裝置被欄桿圍起來，使得感測質(zhì)量塊與導(dǎo)電電極接觸，這會(huì)潛在地引起與碰撞相關(guān)的損害，例如短路。因此，將mems角速率傳感器引入到高精確度、低功耗的市場中一直是個(gè)問題，其至少部分的原因是誤差源，例如正交運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

無

附圖說明

附圖用來另外示出各種實(shí)施例并解釋根據(jù)本發(fā)明的所有各種原理和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中類似附圖標(biāo)記貫穿不同的視圖指代相同的或功能類似的元件，各圖不必按比例繪制，附圖與下文的詳細(xì)描述一起并入本說明書并且形成本說明書的部分。

圖1以簡化和代表性形式示出了先前技術(shù)角速率傳感器的俯視圖；

圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的角速率傳感器的俯視圖；

圖3示出了在相對(duì)于彼此的第一位置處的圖2的角速率傳感器的固定電極和可移動(dòng)電極的放大俯視圖；

圖4示出了在相對(duì)于彼此的第二位置處的圖2的角速率傳感器的固定電極和可移動(dòng)電極的放大俯視圖；

圖5示出了由圖2的角速率傳感器內(nèi)的固定和可移動(dòng)電極的實(shí)施引起的時(shí)變正交補(bǔ)償力的圖表；以及

圖6示出了包括與控制電路通信的圖2的角速率傳感器的傳感器封裝的一般性框圖。

具體實(shí)施方式

本文中所公開的實(shí)施例涉及微機(jī)電系統(tǒng)(mems)裝置，例如角速率傳感器，其中實(shí)施正交補(bǔ)償單元以抵消或以另外方式補(bǔ)償正交運(yùn)動(dòng)。正交補(bǔ)償單元包括固定和可移動(dòng)電極對(duì)，并且固定和可移動(dòng)電極包括向彼此延伸的擠壓區(qū)。當(dāng)可移動(dòng)電極進(jìn)行振蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，擠壓區(qū)周期性地位于每對(duì)固定和可移動(dòng)電極之間，以有效減小可移動(dòng)和固定電極之間的間隙寬度。補(bǔ)償正交運(yùn)動(dòng)所需要的力取決于可移動(dòng)和固定電極之間的間隙寬度、所施加的電壓以及固定和可移動(dòng)電極的總重疊面積。減小了的間隙寬度提供電容增強(qiáng)，以降低有效產(chǎn)生正交補(bǔ)償力所需要的電壓與固定和可移動(dòng)電極的數(shù)目。

提供本公開以另外通過能夠?qū)崿F(xiàn)的方式對(duì)在應(yīng)用時(shí)制造和使用根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的最佳模式進(jìn)行解釋。另外提供本發(fā)明以加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明的創(chuàng)造性原理及優(yōu)點(diǎn)的理解和了解，而不是以任何方式限制本發(fā)明。本發(fā)明僅通過所附權(quán)利要求書界定，所述所附權(quán)利要求書包含在發(fā)布的本申請(qǐng)案和那些權(quán)利要求的所有等效物的懸而未決期間進(jìn)行的任何修正。

參看圖1，圖1以簡化和代表性形式示出了先前技術(shù)角速率傳感器20的俯視圖。一般來說，角速率傳感器20包括撓性耦合到基板24的可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22和正交補(bǔ)償單元26。正交補(bǔ)償單元26包括固定電極30和可移動(dòng)電極32對(duì)。更具體地說，每一對(duì)的固定電極30從耦合到基板24的錨結(jié)構(gòu)34延伸，每一對(duì)的可移動(dòng)電極32耦合到可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22并從可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22延伸。因此，可移動(dòng)電極32可相對(duì)于固定電極30移動(dòng)。在示出的例子中，固定電極30和可移動(dòng)電極32在第一方向上縱向朝向，所述第一方向?qū)?yīng)于三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的x軸36。另外，可移動(dòng)電極32在第二方向上通過間隙38與固定電極30橫向間隔開，所述第二方向?qū)?yīng)于垂直于x軸36的y軸40。間隙38呈現(xiàn)寬度42，標(biāo)記為y0。

為了操作角速率傳感器20，與可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22通信的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(為圖示的簡單起見未示出)實(shí)現(xiàn)基本上平行于驅(qū)動(dòng)軸(在此例子中，驅(qū)動(dòng)軸為x軸36)的可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，如雙向箭頭44所表示。因此，x軸36在本文中被稱作驅(qū)動(dòng)軸36?？梢苿?dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)44可保持恒定，以保持角速率傳感器20的恒定的靈敏度。另外或可替換的是，振蕩頻率可鎖定為可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的機(jī)械諧振，以最小化驅(qū)動(dòng)功率。

一旦可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22被安放到平行于驅(qū)動(dòng)軸36的振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)44中，它就能夠檢測角速率，即，由彎曲箭頭46表示的角速度，所述角速率通過圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角速率傳感器20感應(yīng)，所述旋轉(zhuǎn)軸在本文中被稱作輸入軸。在此例子中，輸入軸是三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的z軸48。因此，z軸48在本文中被稱作與角速率傳感器20相連的輸入軸48。當(dāng)角速率傳感器20經(jīng)歷圍繞輸入軸48的角速度46時(shí)，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22進(jìn)行基本上平行于感測軸(在此例子中，感測軸為y軸40)的振蕩感測運(yùn)動(dòng)，由雙向箭頭50表示。因此，y軸40在本文中被稱作與角速率傳感器20相連的感測軸40。具體來說，科氏加速度相對(duì)于感測軸40出現(xiàn)，所述感測軸40同時(shí)垂直于驅(qū)動(dòng)軸36和輸入軸48兩者?？剖霞铀俣犬a(chǎn)生平行于感測軸40的可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的大體上平面內(nèi)的線性振蕩感測運(yùn)動(dòng)50。這種線性振蕩感測運(yùn)動(dòng)50具有與傳感器20圍繞輸入軸48的角速度46成比例的幅度。振蕩感測運(yùn)動(dòng)50可被檢測為對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的感測系統(tǒng)(為簡單起見未示出)的固定和可移動(dòng)感測電極之間的電容改變。

可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22以極其簡化的形式表示。然而，應(yīng)理解，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22可包括大量的形狀和配置。例如，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22可包括與一個(gè)或多個(gè)感測質(zhì)量塊適當(dāng)互連的一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，其中一個(gè)或多個(gè)感測質(zhì)量塊與一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊一起進(jìn)行振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)44，并且一個(gè)或多個(gè)感測質(zhì)量塊響應(yīng)于角速度46進(jìn)行振蕩感測運(yùn)動(dòng)50。可替換的是，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22可包括撓性耦合到基板24的單個(gè)質(zhì)量塊，其可進(jìn)振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)44以及響應(yīng)于角速度46進(jìn)行振蕩感測運(yùn)動(dòng)50。

如先前所提到，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22可進(jìn)行正交運(yùn)動(dòng)，由箭頭52表示。可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的正交運(yùn)動(dòng)52可能是由質(zhì)量塊和彈簧不均衡導(dǎo)致的信號(hào)從驅(qū)動(dòng)軸36泄漏到感測軸40的結(jié)果，所述不均衡是由于制造缺陷、不等彈性耦合等。此正交運(yùn)動(dòng)52可產(chǎn)生正交誤差信號(hào)，所述正交誤差信號(hào)可大至數(shù)千度每秒，也可為與科氏加速度不同相的90度。解調(diào)可除去由正交運(yùn)動(dòng)52引起的誤差分量中的一些。然而，較小的相位誤差仍可充滿感測環(huán)路電路。

因此，正交補(bǔ)償單元26可與角速率傳感器20一起實(shí)施，以便經(jīng)由與正交運(yùn)動(dòng)52成反相關(guān)系的固定電極30和可移動(dòng)電極32來施加靜電力，所述靜電力在本文中被稱作正交補(bǔ)償力并由箭頭54表示。施加正交補(bǔ)償力54以補(bǔ)償或以另外方式抵消正交運(yùn)動(dòng)52。表示正交補(bǔ)償力54的箭頭以與表示正交運(yùn)動(dòng)52的箭頭的方向相反的方向朝向，以便強(qiáng)調(diào)反相關(guān)系。然而，應(yīng)理解，正交運(yùn)動(dòng)52是振蕩運(yùn)動(dòng)。因此，正交補(bǔ)償力54是與振蕩正交運(yùn)動(dòng)52成反相關(guān)系的振蕩運(yùn)動(dòng)。

具有非對(duì)角線項(xiàng)的運(yùn)動(dòng)的陀螺儀等式表示如下：

其得出以下等式：

在上文呈現(xiàn)的等式中，fd是實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)44所需要的驅(qū)動(dòng)力，其中md是可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊部分的質(zhì)量，cx是驅(qū)動(dòng)(x)方向上的阻尼系數(shù)，kx是驅(qū)動(dòng)方向上的彈簧常數(shù)，kxy是感測軸(y)40上的彈簧常數(shù)交叉耦合力，其可引起沿著驅(qū)動(dòng)軸(x)36的位移，是驅(qū)動(dòng)方向上的加速度，是驅(qū)動(dòng)方向上的速度，x是驅(qū)動(dòng)位移。另外，ms是可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的感測質(zhì)量塊部分的質(zhì)量，cy是感測(y)方向上的阻尼系數(shù)，ky是感測方向上的彈簧常數(shù)，kyx是驅(qū)動(dòng)軸(x)36上的彈簧常數(shù)交叉耦合力，其可引起沿著感測軸(y)40的位移，是感測方向上的加速度，是感測方向上的速度，y是感測位移。

在等式(2)中，等式的右側(cè)揭露了感測運(yùn)動(dòng)50是mc、ωz和的函數(shù)，其中mc是“科氏質(zhì)量塊”(即，施加有科氏加速度的質(zhì)量塊)的質(zhì)量，ωz是圍繞輸入軸(z)48的角速度46，是驅(qū)動(dòng)方向上的速度。另外，正交運(yùn)動(dòng)52是kyx和x的函數(shù)，其中kyx是來自驅(qū)動(dòng)軸(x)36的感測軸(y)40上的彈簧常數(shù)交叉耦合力，x是驅(qū)動(dòng)位移。因此，消除在等式(2)中由kyxx表示的正交運(yùn)動(dòng)52需要與振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)44同相的時(shí)變力。

消除正交運(yùn)動(dòng)52所需要的正交補(bǔ)償力54可表征為以下等式：

以及

在上文呈現(xiàn)的等式中，e是電容器的能量，c是電容，v是電壓。另外，c0是靜態(tài)電容，n是固定電極30和可移動(dòng)電極32的總重疊面積，ε是自由空間的介電常數(shù)，h是結(jié)構(gòu)厚度，y是沿著感測軸40的位移，sin(ωdt)是驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，ωd是驅(qū)動(dòng)頻率，t是時(shí)間，vpm是可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊部分的電壓電勢(shì)，vq是施加到每對(duì)固定電極30和可移動(dòng)電極32中的固定電極30的電壓。

在等式(4)中，fq表示正交補(bǔ)償力54，即，補(bǔ)償或抵消正交運(yùn)動(dòng)52所需要的靜電力。正交補(bǔ)償力54是電容器的能量的偏導(dǎo)數(shù)和沿著感測軸的位移的偏導(dǎo)數(shù)的函數(shù)。因此，正交補(bǔ)償力54與以下各者成比例：自由空間的介電常數(shù)的結(jié)果(ε)、結(jié)構(gòu)厚度(h)、可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊部分的電壓電勢(shì)(vpm)、沿著驅(qū)動(dòng)軸36(x)的位移，以及分?jǐn)?shù)，在所述分?jǐn)?shù)中，分子是固定電極30和可移動(dòng)電極32的重疊面積(n)與施加到每對(duì)固定電極30和可移動(dòng)電極32中的固定電極30的電壓(vq)的結(jié)果，分母是固定電極30和可移動(dòng)電極32之間的間隙38的寬度42(y0)的平方。

雖然施加正交補(bǔ)償力(fq)54可以抑制正交運(yùn)動(dòng)52，但是這項(xiàng)技術(shù)要求用于正交補(bǔ)償電極(例如，固定電極30和可移動(dòng)電極32)的相對(duì)較大的電壓(vq)和較大的重疊面積(n)，和/或正交誤差和靜電補(bǔ)償力之間的精確相位匹配。為了節(jié)約電壓(vq)和面積(n)，從等式(4)中可以很容易地觀察到，相對(duì)較小的間隙38的寬度42(y0)是優(yōu)選的。也就是說，正交補(bǔ)償力(fq)54與電壓(vq)和面積(n)成比例。然而，凈正交補(bǔ)償力(fq)54通過降低固定電極30和可移動(dòng)電極32之間的間隙38的寬度42來二次增加。

不幸地，寬度42受到制造固定電極30和可移動(dòng)電極32所采用的制造工藝的最低間隙要求的限制。作為舉例，蝕刻工藝的最低間隙要求可為1.5微米。因此，下文描述的實(shí)施例提供一種技術(shù)，其用于在可移動(dòng)電極32沿著驅(qū)動(dòng)軸36行進(jìn)期間，減小固定電極30和可移動(dòng)電極32之間的有效間隙寬度，且不打破最低間隙要求的設(shè)計(jì)規(guī)則。因此，間隙寬度可比制造工藝的最低間隙寬度要求小得多。

圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的角速率傳感器60的俯視圖。一般來說，角速率傳感器60包括撓性耦合到基板64的可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62和正交補(bǔ)償單元66。正交補(bǔ)償單元66包括固定電極70和可移動(dòng)電極72對(duì)。更具體地說，每一對(duì)的固定電極70從耦合到基板64的錨結(jié)構(gòu)74延伸，每一對(duì)的可移動(dòng)電極72耦合到可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62并從可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62延伸。因此，可移動(dòng)電極72可相對(duì)于固定電極70移動(dòng)。在示出的例子中，固定電極70和可移動(dòng)電極72在第一方向上縱向朝向，所述第一方向?qū)?yīng)于驅(qū)動(dòng)軸36。

另外，可移動(dòng)電極72在第二方向上通過第一間隙與固定電極70橫向間隔開，所述第一間隙在本文中被稱作初始間隙76，所述第二方向?qū)?yīng)于垂直于驅(qū)動(dòng)軸36的感測軸40。

類似于可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62以極其簡化的形式表示。然而，應(yīng)理解，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62可包括大量的形狀，例如圓形、環(huán)形、盤形、矩形等等。此外，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62可包括與一個(gè)或多個(gè)感測質(zhì)量塊適當(dāng)互連的一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊。可替換的是，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22可包括撓性耦合到基板64的單個(gè)質(zhì)量塊。結(jié)構(gòu)的此類變化仍將包括與可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊部分相關(guān)聯(lián)的正交補(bǔ)償電極(即，固定電極70和可移動(dòng)電極72對(duì))。

此外，為圖示的簡單起見，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的固定和可移動(dòng)電極與感測系統(tǒng)的固定和可移動(dòng)電極在圖2中未示出。另外應(yīng)當(dāng)理解，相關(guān)術(shù)語在本文中的使用(如果存在的話)，諸如第一和第二、頂部和底部等，僅用于區(qū)分一個(gè)實(shí)體或動(dòng)作與另一個(gè)實(shí)體或動(dòng)作，而不必需要或意指在這種實(shí)體或動(dòng)作之間的任何實(shí)際這種關(guān)系或次序。

在此例子中，正交補(bǔ)償單元66包括兩個(gè)錨結(jié)構(gòu)74，標(biāo)示為第一錨結(jié)構(gòu)74a和第二錨結(jié)構(gòu)74b。一對(duì)固定電極70和可移動(dòng)電極72通過下標(biāo)“1”區(qū)分，并且因此電極包括第一固定電極701和第一可移動(dòng)電極721。類似地，另一對(duì)固定電極70和可移動(dòng)電極72通過下標(biāo)“2”區(qū)分，并且因此電極包括第二固定電極702和第二可移動(dòng)電極722。另一對(duì)固定電極70和可移動(dòng)電極72通過下標(biāo)“3”區(qū)分，并且因此電極包括第三固定電極703和第三可移動(dòng)電極723。又一對(duì)固定電極70和可移動(dòng)電極72通過下標(biāo)“4”區(qū)分，并且因此電極包括第四固定電極704和第四可移動(dòng)電極724。

第一固定電極701從第一錨結(jié)構(gòu)74a的第一側(cè)面78延伸，第二固定電極702從第一錨結(jié)構(gòu)74a的第二側(cè)面80延伸，其中第二側(cè)面80與第一側(cè)面78相對(duì)。此外，第三固定電極703從第二錨結(jié)構(gòu)74b的第一側(cè)面82延伸，第四固定電極704從第二錨結(jié)構(gòu)74b的第二側(cè)面84延伸，其中第二側(cè)面84與第一側(cè)面相對(duì)。電極70、72中的每一個(gè)電極在基本上平行于驅(qū)動(dòng)軸36的第一方向上縱向朝向。

在一些實(shí)施例中，第一錨結(jié)構(gòu)74a為將正交電壓86(標(biāo)記為-vq)施加到第一固定電極701和第二固定電極702而設(shè)，第二錨結(jié)構(gòu)74b為將正交電壓86(標(biāo)記為+vq)施加到第三固定電極703和第四固定電極704而設(shè)，以便提供時(shí)變正交補(bǔ)償力88以抵消或以另外方式補(bǔ)償可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62的感測質(zhì)量塊部分的正交運(yùn)動(dòng)90。為圖示的簡單起見，僅示出四對(duì)固定電極70和可移動(dòng)電極72。然而，應(yīng)理解，任何數(shù)目的固定電極70和可移動(dòng)電極72對(duì)可用于提供足夠的正交補(bǔ)償力88。

根據(jù)實(shí)施例，每一固定電極70包括擠壓區(qū)92，所述擠壓區(qū)92在基本上平行于感測軸40的第二方向上向其對(duì)應(yīng)的可移動(dòng)電極72延伸。另外，可移動(dòng)電極72中的每一個(gè)電極包括擠壓區(qū)94，所述擠壓區(qū)94在基本上平行于感測軸40的第二方向上向其對(duì)應(yīng)的固定電極70延伸。擠壓區(qū)92、94表示它們相應(yīng)的固定電極70和可移動(dòng)電極72與電極70、72的側(cè)面成一體式并從電極70、72的側(cè)面橫向朝外向鄰近其它的固定電極70和可移動(dòng)電極72中的一個(gè)電極延伸的材料部分。

現(xiàn)結(jié)合圖2參看圖3，圖3示出了在相對(duì)于彼此的第一位置96處的角速率傳感器60的固定電極703和可移動(dòng)電極723的放大俯視圖。圖3表示其中可移動(dòng)電極723并未進(jìn)行振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98(見圖2)的情況。因此，第一位置96表示當(dāng)可移動(dòng)電極723尚未被驅(qū)動(dòng)以進(jìn)行振蕩時(shí)的可移動(dòng)電極723相對(duì)于固定電極703的位置。圖3的放大視圖更清楚地示出了從固定電極703向可移動(dòng)電極723延伸的擠壓區(qū)92和從可移動(dòng)電極723向固定電極703延伸的擠壓區(qū)94。

為圖示的簡單起見，以下論述指代固定電極703和可移動(dòng)電極723。然而，應(yīng)理解，以下論述等效地適用于并入在角速率傳感器60中的正交補(bǔ)償單元66的全部固定電極70和可移動(dòng)電極72。如下方將以更為細(xì)節(jié)的方式所論述，包括擠壓區(qū)92、94提供電容增強(qiáng)，從而由此實(shí)現(xiàn)所施加的正交電壓86的降低和/或固定電極70和可移動(dòng)72的重疊面積(n)的減少。重疊面積的減少有效減少了正交補(bǔ)償單元66所需要的面積。

另外或可替換的是，在一些實(shí)施例中，可實(shí)施在角速率傳感器60的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(未示出)或感測系統(tǒng)(未示出)內(nèi)的固定和可移動(dòng)電極對(duì)還可包括擠壓區(qū)，其類似于擠壓區(qū)92、94。在此類配置中，可實(shí)現(xiàn)電容增強(qiáng)以最小化驅(qū)動(dòng)致動(dòng)電壓和/或最大化感測電容。

如圖3中所示，可移動(dòng)電極723在平行于感測軸40(也因此垂直于驅(qū)動(dòng)軸36)的方向上通過初始間隙76與固定電極703間隔開。初始間隙76呈現(xiàn)第一寬度，在本文中被稱作初始寬度100并被標(biāo)記為yinit。初始寬度100是由制造工藝限制的固定電極703和可移動(dòng)723之間的最小可允許的間距，例如深反應(yīng)性離子蝕刻(drie)工藝的所述制造工藝用于形成固定電極703和可移動(dòng)電極723。

此外，在第一位置96處，當(dāng)可移動(dòng)電極723并未進(jìn)行振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98時(shí)，擠壓區(qū)92、94不位于固定電極703和可移動(dòng)723之間。也就是說，擠壓區(qū)92、94中的每一個(gè)區(qū)在x方向上移離相對(duì)的可移動(dòng)電極723或固定電極703的縱向側(cè)面。通過制造擠壓區(qū)92、94，在固定電極703和可移動(dòng)電極723不完全在相對(duì)的可移動(dòng)電極723或固定電極703的縱向側(cè)面的對(duì)面的位置處，在制造工藝期間沒有違反對(duì)間隙76的寬度的最低要求。

現(xiàn)參看圖2和4，圖4示出了在相對(duì)于彼此的第二位置102處的角速率傳感器60的固定電極703和可移動(dòng)電極723的放大俯視圖。在操作中，可移動(dòng)電極723被配置成與可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62一起進(jìn)行振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98，以使得擠壓區(qū)92、94周期性地位于固定電極703和可移動(dòng)電極723之間。也就是說，從固定電極703延伸的擠壓區(qū)92與可移動(dòng)電極723周期性地間隔開，同時(shí)從可移動(dòng)電極723延伸的擠壓區(qū)94與固定電極703間隔開。

當(dāng)可移動(dòng)電極723振蕩到第二位置102時(shí)，第二間隙104形成于擠壓區(qū)92與可移動(dòng)電極723之間，第三間隙106形成于擠壓區(qū)94與固定電極703之間。然而，某一數(shù)量的間距108可仍存在于鄰近的擠壓區(qū)92、94之間，以使得擠壓區(qū)92、94不與彼此接觸。在振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98的第一半周期(即，一個(gè)行進(jìn)方向)期間，根據(jù)振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98的驅(qū)動(dòng)幅度，可移動(dòng)電極723移動(dòng)標(biāo)記為d的距離110。在實(shí)施例中，擠壓區(qū)92、94中的每一個(gè)區(qū)在x方向(即，平行于驅(qū)動(dòng)軸36的方向)上呈現(xiàn)至少相等于或大于距離110的長度112。

第二間隙104和第三間隙106中的每一個(gè)間隙呈現(xiàn)小于初始寬度100的標(biāo)記為y0的寬度114。作為舉例，寬度114可為初始寬度100的大約一半。因此，如果初始寬度100為大約1.5微米，且受到制造工藝的最小可允許的間距要求的限制，那么可實(shí)現(xiàn)0.8微米的寬度114。因此，存在各自具有長度112的擠壓區(qū)92、94使得第二間隙104和第三間隙106能夠有效地形成有相對(duì)于初始寬度100更窄的寬度114。此外，這種更窄的寬度114大體上沿著正交補(bǔ)償單元66的正交補(bǔ)償電極(即，固定電極703和可移動(dòng)電極723)的鄰近長度的大部分延伸。

繼續(xù)參考圖2和4，為了操作角速率傳感器60，可移動(dòng)電極70與可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62一起進(jìn)行致動(dòng)，從而進(jìn)行基本上平行于驅(qū)動(dòng)軸36的振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98。一旦可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62被安放到振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98中，它就能夠檢測通過圍繞輸入軸48旋轉(zhuǎn)的角速率傳感器60感應(yīng)的角速度46(見圖2)。當(dāng)角速率傳感器60經(jīng)歷圍繞輸入軸48的角速度46時(shí)，可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62進(jìn)行基本上平行于感測軸40的振蕩感測運(yùn)動(dòng)，在圖2中由雙向箭頭116表示。具體來說，科氏加速度相對(duì)于感測軸40出現(xiàn)，所述感測軸40同時(shí)垂直于驅(qū)動(dòng)軸36和輸入軸48兩者。科氏加速度產(chǎn)生平行于感測軸40的可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)22的大體上平面內(nèi)的線性振蕩感測運(yùn)動(dòng)116。這種線性振蕩感測運(yùn)動(dòng)116具有與傳感器20圍繞輸入軸48的角速度46成比例的幅度。振蕩感測運(yùn)動(dòng)116可被檢測為感測系統(tǒng)(為簡單起見未示出)的固定和可移動(dòng)感測電極之間的電容改變。

當(dāng)可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62的感測質(zhì)量塊部分響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98進(jìn)行正交運(yùn)動(dòng)90時(shí)，正交補(bǔ)償單元66可經(jīng)由與正交運(yùn)動(dòng)90成反相關(guān)系的固定電極70和可移動(dòng)電極72來施加靜電力(即，正交補(bǔ)償力88)。由于相對(duì)較高的驅(qū)動(dòng)幅度，正交補(bǔ)償力88通過驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98進(jìn)行固有調(diào)制。此外，根據(jù)上文的等式(3)，由于第一間隙104和第二間隙106的寬度114明顯小于初始間隙76的寬度100，所以對(duì)應(yīng)的可移動(dòng)電極72和固定電極70之間的電容118、120、122、124(在圖2中標(biāo)記為c1、c2、c3、c4)可從超出制造工藝的最小間隙寬度能力的可移動(dòng)電極32和固定電極30(圖1)的額定電容增強(qiáng)。因此，使用相比于先前技術(shù)正交補(bǔ)償單元更低的電壓(vq)和更少的電極重疊面積(n)，正交補(bǔ)償力88可補(bǔ)償或以另外方式抵消正交運(yùn)動(dòng)90。

如圖1所示，表示正交補(bǔ)償力88的箭頭以與表示正交運(yùn)動(dòng)90的箭頭的方向相反的方向朝向，以便強(qiáng)調(diào)反相關(guān)系。再次，應(yīng)理解，正交運(yùn)動(dòng)90是振蕩運(yùn)動(dòng)。因此，正交補(bǔ)償力88是與振蕩正交運(yùn)動(dòng)90成反相關(guān)系的振蕩運(yùn)動(dòng)。

圖5示出了由角速率傳感器60(圖2)內(nèi)的固定電極70和可移動(dòng)電極72(圖2)的實(shí)施引起的時(shí)變正交補(bǔ)償力88的圖表130。如圖5中所示，第一力曲線131通過第一固定電極701和第一可移動(dòng)電極721之間的標(biāo)記為c1的電容118產(chǎn)生。類似地，第二力曲線132通過第一固定電極702和第一可移動(dòng)電極722之間的標(biāo)記為c2的電容120產(chǎn)生。當(dāng)將合適的正交電壓86(圖2)施加到固定電極701、702時(shí)，產(chǎn)生電容118、120。

在第一半周期(即，圖表130中的大約0-3)期間，由電容118產(chǎn)生的第一力曲線131示出了比第二力曲線132更大的變化性。這是由于在驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98(圖4)的第一半周期期間固定電極701和可移動(dòng)電極721之間的第二間隙104和第三間隙106(圖4)的寬度114(圖4)減小。相反地，在第二半周期(即，圖表130中的大約3-6)期間，第二力曲線132示出了由電容120產(chǎn)生的比第一力曲線131更大的變化性。同樣，這是由于在驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98(圖4)的第二半周期期間固定電極702和可移動(dòng)電極722(圖2)之間的第二間隙104和第三間隙106的寬度114減小。

對(duì)應(yīng)于電容118、120的求和的第一力曲線131和第二力曲線132的求和產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98(圖2)同相的完整的正弦波132。根據(jù)上文的等式(3)和(4)，正交補(bǔ)償力88的量值與固定電極70和可移動(dòng)電極72對(duì)之間的電容直接相關(guān)。間隙104、106相對(duì)于初始寬度100(圖4)的更小寬度114(圖4)直接產(chǎn)生較高值的電容118、120(即，實(shí)現(xiàn)了電容增強(qiáng))，所述初始寬度100受到制造工藝的限制。因此，可對(duì)應(yīng)于較高值的電容118、120產(chǎn)生正交補(bǔ)償力88的較高量值。因此，正弦波132的每一半周期的峰值是用于兩對(duì)固定和可移動(dòng)電極(即，第一固定電極701和第一可移動(dòng)電極721與第二固定電極702和第二可移動(dòng)電極722)的最大正交補(bǔ)償力88，所述正交補(bǔ)償力88可被施加到可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)62(圖2)的感測質(zhì)量塊部分以抵消或以另外方式補(bǔ)償正交運(yùn)動(dòng)90。在一些實(shí)施例中，這個(gè)最大正交補(bǔ)償力88可為并不包括擠壓區(qū)92、94(圖2)的先前技術(shù)設(shè)計(jì)的正交補(bǔ)償力54(圖1)的至少3.5倍大。同樣，在包括電容增強(qiáng)能力的情況下，正交電壓86(圖2)和/或正交補(bǔ)償電極(例如，電極70、72)所占據(jù)的面積可相對(duì)于先前技術(shù)配置減小。

圖6示出了呈傳感器封裝134形式的mems裝置的一般性框圖，所述傳感器封裝134包括與可為專用集成電路(asic)的控制電路136電通信的角速率傳感器60。更具體地說，控制電路136可適用于接收輸出信號(hào)138，所述輸出信號(hào)138的部分包括正交運(yùn)動(dòng)信號(hào)分量。在一些實(shí)施例中，控制電路136可適用于確定由施加到驅(qū)動(dòng)軸36的振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)98強(qiáng)加于感測軸40上的正交運(yùn)動(dòng)90的量值。控制電路136接著可將校正性電壓(即，正交電壓86)施加到固定電極70，以產(chǎn)生足以抵消或以另外方式補(bǔ)償正交運(yùn)動(dòng)90的正交補(bǔ)償力88。

本文中所描述的實(shí)施例包括微機(jī)電系統(tǒng)(mems)裝置，例如角速率傳感器，其中實(shí)施正交補(bǔ)償單元以抵消或以另外方式補(bǔ)償正交運(yùn)動(dòng)。用于電容增強(qiáng)的mems裝置的實(shí)施例包括耦合到基板并在第一方向上縱向朝向的固定電極、耦合到可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)并從可移動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)延伸的可移動(dòng)電極，所述可移動(dòng)電極在第一方向上縱向朝向，所述可移動(dòng)電極在垂直于第一方向的第二方向上通過間隙與所述固定電極間隔開，以及在第二方向上從固定和可移動(dòng)電極中的一個(gè)電極向固定和可移動(dòng)電極中的另一個(gè)電極延伸的擠壓區(qū)。

mems裝置的另一實(shí)施例包括撓性耦合到基板的質(zhì)量系統(tǒng)，所述質(zhì)量系統(tǒng)被配置成相對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且所述質(zhì)量系統(tǒng)另外被配置成響應(yīng)于圍繞輸入軸的角速度，相對(duì)于垂直于驅(qū)動(dòng)軸的感測軸進(jìn)行振蕩感測運(yùn)動(dòng)，所述輸入軸垂直于驅(qū)動(dòng)和感測軸中的每一個(gè)軸。mems裝置另外包括正交校正單元，其中所述正交校正單元包括耦合到基板并在基本上平行于驅(qū)動(dòng)軸的第一方向上縱向朝向的固定電極和耦合到質(zhì)量系統(tǒng)并從質(zhì)量系統(tǒng)延伸的可移動(dòng)電極，所述可移動(dòng)電極在第一方向上縱向朝向，并且所述可移動(dòng)電極在平行于感測軸的第二方向上通過展現(xiàn)第一寬度的第一間隙與所述固定電極間隔開。第一擠壓區(qū)在第二方向上從固定電極向可移動(dòng)電極延伸，第二擠壓區(qū)在第二方向上從可移動(dòng)電極向固定電極延伸?？梢苿?dòng)電極被配置成與質(zhì)量系統(tǒng)一起進(jìn)行振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以使得第一擠壓區(qū)通過展現(xiàn)第二寬度的第二間隙與可移動(dòng)電極周期性地間隔開，第二擠壓區(qū)通過展現(xiàn)第二寬度的第三間隙與固定電極周期性地間隔開，所述第二寬度小于所述第一寬度。

實(shí)施具有固定和可移動(dòng)電極對(duì)的正交補(bǔ)償單元以抵消或以另外方式補(bǔ)償正交運(yùn)動(dòng)，在所述正交補(bǔ)償單元中，固定和可移動(dòng)電極包括向彼此延伸的擠壓區(qū)。當(dāng)可移動(dòng)電極進(jìn)行振蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，擠壓區(qū)周期性地位于每對(duì)固定和可移動(dòng)電極之間，以有效減小可移動(dòng)和固定電極之間的間隙寬度。減小了的間隙寬度提供電容增強(qiáng)，以降低有效產(chǎn)生正交補(bǔ)償力所需要的電壓與固定和可移動(dòng)電極的數(shù)目。

本發(fā)明旨在解釋形成和使用本發(fā)明的各種實(shí)施例的方式而非限制其真實(shí)、既定和公平的范疇及精神。以上描述并不意圖是詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限制于所公開的確切形式。鑒于以上教示，可以進(jìn)行修改或變化。選擇和描述實(shí)施例是為了提供對(duì)本發(fā)明的原理和本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用的最佳說明，并且使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠在各種實(shí)施例中并利用適合于所預(yù)期具體用途的各種修改來利用本發(fā)明。當(dāng)根據(jù)清楚地、合法地并且公正地賦予的權(quán)利的廣度來解釋時(shí)，所有這樣的修改和變化及其所有等效物均處于如由所附權(quán)利要求書所確定的本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，并且在本專利申請(qǐng)的未決期間可以修正。