CN102230799A - 带有校准的激励同步的微机电陀螺仪以及激励微机电陀螺仪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带有校准的激励同步的微机电陀螺仪以及激励微机电陀螺仪的方法，陀螺仪包括主体(6)，可根据驱动轴(X)移动的驱动质量块(7)，以及由驱动质量块(7)驱动且可按照感应轴(Y)移动的感应质量块(8)，以响应于所述主体(6)的旋转。驱动装置(3)与该主体(6)和该驱动质量块(7)构成微机电控制回路(18)，并维持该驱动质量块(7)以驱动频率(ω_D)振荡。所述驱动装置(3)包括：频率检测器(25)，其提供在驱动质量块(7)的振荡频率上的时钟信号(CK_N)；以及同步级(29)，其给时钟信号(CK_N)施加校准的相移(

)，以补偿由设置在驱动质量块(7)与控制节点(25a)之间的回路(18)的部件(20，21，22)引起的相移。

Description

带有校准的激励同步的微机电陀螺仪以及激励微机电陀螺仪的方法

技术领域

本发明涉及一种带有校准的激励同步的微机电陀螺仪，以及一种激励微机电陀螺仪的方法。 

背景技术

众所周知，微机电系统(MEMS)的应用已经日益在各种技术领域变得普及，也获得了振奋人心的结果，尤其是提供了用于广泛应用的惯性传感器、微集成陀螺仪和机电振荡器。 

这种类型的MEMS通常基于微机电结构，其包括通过弹簧连接至固定主体(定子)并且可依据预设自由度相对于该定子可移动的至少一个可移动质量块。此外，该可移动质量块借助电容性结构(电容器)耦合至该固定主体。该可移动质量块相对于该固定主体的运动，例如由于外应力产生的运动，改变了电容器的电容；由此，可能追溯到该可移动质量块相对于该固定主体的相对移位，以及所施加的力。反之亦然，通过提供适当的偏置电压，有可能在该可移动质量块上施加静电力以将它设置在运动状态。此外，为了提供机电振荡器，MEMS惯性结构的频率响应被利用，该频率响应典型地是二阶低通型。 

许多MEMS(尤其是，所有机电振荡器和陀螺仪)必须包括具有将该可移动质量块维持在振荡中的任务的驱动装置。 

第一类已知解决方案设想以开环方式提供在该MEMS结构的共振频率上的周期激励。该解决方案是简单的，但也远非是有效的，因为由于半导体精密加工工艺中的不可消除的离差，而不能精确知道共振频率。此外，每个分立装置的共振频率可能随着时间而变化，例如，由于温度梯度或，更简单地，由于老化而变化。 

后来已经提出了基于sigma-delta调幅器的使用的反馈驱动电路。在将可移动质量块的振荡稳定在实际共振频率和抑制干扰方面，这种类型的电路毋庸置疑地比前面的电路更加有效。 

然而，必须有针对滤波、降频(decimation)、以及由sigma-delta调幅器提供的对比特流的进一步处理的各个级。为此，现今可获得的反馈驱动电路生产复杂、笨重，并且实践中很昂贵。 

此外，应当考虑到，陀螺仪具有复杂的机电结构，其包括两个质量块，这两个质量块相对于定子可移动并且彼此耦合以致于呈现相对自由度。该两个可移动质量块都电容性地耦合至该定子。可移动质量块之一致力于驱动(驱动质量块)，并保持以共振频率振荡。另一个可移动质量块(感应质量块)在振荡运动中被驱动，并且在该微结构相对于预定轴以一角速度旋转的情况下，其承受正比于该角速度自身的科里奥利力。实践中，感应质量块作为加速计工作，使得能够检测科里奥利加速度。 

为了使能激励以及提供具有二阶低通式和高品质因素的传递函数的机电振荡器(在其中传感器执行频率选择性放大器)，该驱动质量块配备有两种类型的差分电容性结构：驱动电极和驱动检测电极。该驱动电极具有通过在该驱动质量块的机械共振频率上的噪声的谱分量产生的静电力来维持该可移动质量块在激励方向上自振荡的目的。该驱动检测电极具有通过传导电荷测量该感应质量块在激励方向上的平移位置或旋转位置的目的。 

专利No.EP1624285描述了一种用于控制陀螺仪的振荡速度的系统，其包括差分读取放大器、高通放大器、以及以连续时间模式运行的激励和控制级。 

文献No.EP1959234描述了前述控制系统的一种改进，其中控制回路包括低通滤波器以便减少偏移量以及寄生成分和由操作在反馈回路的总增益和相位上的耦合带来的影响。 

尽管这些系统经常以令人满意的方式运行，然而这些系统在占用面积方面仍需要改进。为了保留使用具有彼此间没有电绝缘的驱动质量块和感应质量块的微结构带来的优点(特别是考虑到提供这种绝缘的技术困难，其使得制造工 艺相当复杂并且成本高昂)，实践中有必要精确地同步读取电路与控制电路。为此，通常使用锁相环(PLL)电路，然而其在占用面积以及消耗水平方面具有相当的影响，并且为了正确运行需要外部过滤元件。另外，在启动时以及从低消耗(所谓的“省电”)配置中或者从失去同步的条件下唤醒时，PLL电路在完成相位锁定之前可能需要甚至几百毫秒的瞬变期。所导致的响应延迟在某些应用中将是致命性的。 

发明内容

本发明的目的是为了提供一种微机电陀螺仪和一种用于激励微机电陀螺仪的方法，其将使得有可能克服所述的局限。 

根据本发明，提供了一种微机电陀螺仪，其包括： 

主体； 

驱动质量块，其根据驱动轴以第一自由度相对于主体可移动，以及感应质量块，其机械地耦合至驱动质量块以被带入根据驱动轴的运动中，并且根据感应轴以第二自由度相对于驱动质量块可移动，以响应于所述主体的旋转； 

驱动装置，与该主体和该驱动质量块一起形成微机电控制回路，并设置成根据该驱动轴以一驱动频率维持该驱动质量块的振荡； 

其中该驱动装置包括频率检测器模块，该频率检测器模块连接到微机电控制回路的控制节点，并且配置为提供第一时钟信号，该第一时钟信号具有与驱动质量块的当前振荡频率相等的频率； 

其特征在于该驱动装置包括同步级，该同步级配置为在第一操作模式中向第一时钟信号施加校准的相移，以补偿由布置在驱动质量块与控制节点之间的微机电控制回路的元件引起的相移。 

根据本发明，提供了一种用于激励微机电陀螺仪的方法，其中该微机电陀螺仪包括，主体，驱动质量块和感应质量块，该驱动质量块根据驱动轴以第一自由度相对于主体可移动，该感应质量块机械地耦合至驱动质量块以被带入根据驱动轴的运动中，并且根据感应轴以第二自由度相对于驱动质量块可移动，以响应于所述主体的旋转； 

该方法包括： 

通过包括主体以及驱动质量块的微机电控制回路，根据该驱动轴以一驱动频率维持该驱动质量块的振荡，；以及 

在微机电控制回路的控制节点处检测驱动质量块的当前振荡频率； 

其特征在于，至少在一个操作模式中向第一时钟信号施加校准的相移，以补偿由布置在驱动质量块与控制节点之间的微机电控制回路的元件引起的相移。 

附图说明

为了更好地理解该发明，现在将通过仅作为示例的方式并参考附图来描述本发明的一些实施例，其中： 

-图1是根据本发明一个实施例的微机电陀螺仪的简化框图； 

-图2是图1陀螺仪的放大细节的俯视图； 

-图3是图1陀螺仪的进一步放大细节的俯视图； 

-图4是关于在图1陀螺仪中所使用的信号的示图； 

-图5是图1陀螺仪的第一部分的更加详细的框图； 

-图6是图1陀螺仪的第二部分的更加详细的框图； 

-图7是图6第二部分的一部分的更加详细的框图； 

-图8是关于在图1陀螺仪中所使用的信号的示图；以及 

-图9是包含根据本发明一个实施例的微机电陀螺仪的电子系统的简化框图。 

具体实施方式

图1总体上示出了微机电陀螺仪1，其包括由半导体材料制造的微结构2，驱动装置3，读取发生器4和读取装置5。 

该微结构2由半导体材料制造，并且包括固定结构6、驱动质量块7、和至少一个感应质量块8。为了简化，在此处举例说明的实施例中，将参考单轴陀螺仪的实例，单轴陀螺仪中存在单个感应质量块8。然而，下文描述的内容 也可应用到多轴陀螺仪的实例中，多轴陀螺仪包括两个或更多个感应质量块或感应质量块系统，用于检测根据各自的独立轴的旋转。 

该驱动质量块7弹性地约束到该固定结构6，以能够按照平移自由度或旋转自由度在静止位置周围振荡。该感应质量块8机械耦合至驱动质量块7，以被驱动在按照驱动质量块7自身的自由度的运动中。此外，感应质量块8弹性地约束到驱动质量块7，于是从而以相应的另一自由度相对于驱动质量块7自身进行振荡。 

在这里描述的实施例中，具体地，驱动质量块7沿驱动轴X线性地可移动，而感应质量块8相对于驱动质量块7、按照垂直于驱动轴X的感应轴Y可移动。 

然而，应该理解，自由度速所允许的移动类型(平移或旋转)以及驱动和感应轴的设置，可以根据陀螺仪的类型而变化。此外，关于驱动质量块7和感应质量块8的运动，根据这些质量块由各自的自由度允许的运动是平移的(沿轴)还是旋转的(绕轴)，表述“按照轴”将无差别地用于沿轴或绕轴的移动。类似地，表述“按照自由度”将无差别地用于平移移动或旋转移动，如自由度自身所允许的那样。 

此外，将驱动质量块7(与感应质量块8一起)连接至固定结构6，以限定具有共振频率ω_R(按照驱动轴X)的共振机械系统。 

驱动质量块7(图2)通过驱动单元10和反馈感应单元12电容性地耦合至固定结构6。该电容性耦合是差分类型的。 

更详细地，激励单元10包括：第一和第二固定驱动电极10a、10b，其固定连接到固定结构6并且基本垂直于驱动方向X而延伸；以及可移动的驱动电极10c，其固定连接到驱动质量块7并且也基本垂直于驱动方向X。可移动驱动电极10c是梳齿式的，并且分别与第一固定驱动电极10a和第二固定驱动电极10b电容性地耦合。此外，激励单元10的第一和第二固定驱动电极10a、10b，分别地电连接至该微结构2的第一驱动端13a和第二驱动端13b。而且，如所提及的，该耦合是差分类型的。换言之，在每个激励单元10中，驱动质量块7沿驱动轴X的移动使得可移动驱动电极10c与固定驱动电极10a、10b中的一个之间的电容增加。相反，可移动驱动电极10c与固定驱动电极10a、 10b中的另外一个之间的电容相应地减少。 

反馈感应单元12的结构与激励单元10的相类似。具体地，反馈感应单元12包括：第一和第二固定感应电极12a、12b，其固定连接至固定结构6；以及可移动的感应电极12c，其固定连接至驱动质量块7且是梳齿式的，并且分别与第一固定感应电极12a和第二固定感应电极12b电容性地耦合。此外，该反馈感应单元12的第一和第二固定感应电极12a、12b，分别电连接至该微结构2的第一反馈感应端14a和第二反馈感应端14b。 

由此，实践中，驱动质量块7通过差分驱动电容C_D1、C_D2耦合至驱动端13a、13b，以及通过反馈感应差分电容C_FBS1、C_FBS2耦合至感应端14a、14b。 

感应质量块8电连接至驱动质量块7，而没有绝缘结构的介入。因此，感应质量块8和驱动质量块7位于相同的电位。此外，感应质量块8通过信号感应单元15电容性耦合至固定结构6(图3)。更精确地，该信号感应单元15包括：第三和第四固定感应电极15a、15b，其固定连接至固定结构6；以及可移动的感应电极15c，其固定连接至感应质量块8并且相应地设置在第三固定感应电极15a和第四固定感应电极15b之间。也在这个实例中，该电容性耦合是差分类型，但其是通过垂直于感应方向Y的平行板电极获得的。此外，信号感应单元15的第三和第四固定感应电极15a、15b，分别电连接至该微结构2的第一信号感应端17a和第二信号感应端17b。实践中，通过信号感应差分电容C_SS1、C_SS2将感应质量块8耦合至信号感应端17a、17b。 

再一次参考图1，驱动装置3连接至驱动端13a、13b，并且连接至微结构2的反馈感应端14a、14b，从而结合驱动质量块7形成具有对驱动质量块7的位置控制的振荡微机电回路18。更详细地，驱动装置3包括电荷放大器20、带通滤波器21、低通插补滤波器22、可变增益放大器23、控制器24、比较器25，以及数字移相器模块26。此外，振荡器27、温度补偿模块28、同步级29以及定时发生器30被用来为驱动装置3、读取发生器4和读取装置5提供定时信号。 

微机电回路18是混合类型的。实际上，电荷放大器20是开关电容器类型的，并被设置成以离散时间的方式运行，而低通滤波器22和可变增益放大器 23以连续时间的方式运行。带通滤波器21执行从时间离散至时间连续的转换。此外，电荷放大器20限定了用于检测驱动质量块7关于驱动轴X的位置x的检测接口。驱动装置3的余下部件协作用于基于驱动质量块7的位置x来控制微机电回路18的振荡幅度，尤其是驱动质量块7的振荡幅度，并且保持其接近参考幅度。该参考幅度特别地由提供至控制器24的参考电压V_REF确定。 

电荷放大器20，是完全差分类型的，并具有分别连接至第一和第二反馈感应端14a、14b的输入端，定义了用于检测驱动质量块7关于驱动轴X的位置x的检测接口。电荷放大器20接收来自微结构2的反馈感应端14a、14b的差分反馈电荷包Q_FB1、Q_FB2，并且将它们转换成指示驱动质量块7的位置x的反馈电压V_FB1、V_FB2。以这种方式，电荷放大器20执行对驱动质量块7的位置x的离散时间的读取。 

带通滤波器21与电荷放大器20串联，并且引入尽可能接近90且在任何情况下都包含在区间90±40中的的相移。在一个实施例中，带通滤波器21包括采样维持电路，并且还配置成以便于执行第一低通滤波。由带通滤波器21提供的移相反馈电压V_FB1′、V_FB2′因此相对于反馈电压V_FB1、V_FB2发生延迟和衰减。移相反馈电压V_FB1′、V_FB2′基本上呈现阶梯状变化。 

将低通滤波器22设置于带通滤波器21的下游，其是至少二阶的完全差分滤波器，并且提供可随时间连续变化的经滤波的反馈电压V_FB1″、V_FB2″。以下述方式来选择低通滤波器22的截止频率，即使得微机电回路18(尤其是驱动质量块7)的振荡频率(后文中将其称为驱动频率ω_D)被包括在通带中，并且使得指示驱动质量块7的位置x的有用信号的相位基本上不变。此外，低通滤波器22的通带是这样的，即通过离散时间读取而联系到采样的不期望的信号成分衰减至少20dB。 

为了预防可能危及对微机电回路18的振荡的控制的偏移量，带通滤波器21和低通滤波器22都将以带有自动调零功能的放大器为基础。 

可变增益放大器23是连续时间的完全差分类型的，其与低通滤波器22串联，并且具有与微结构2的驱动端13a、13b相连接的输出端，用于提供驱动电压V_D1、V_D2以便于维持微机电回路18在驱动频率ω_D处的振荡，该驱动频率ω_D 接近于微结构2的机械共振频率ω_R。为此，由控制器24通过与低通滤波器22提供的经滤波的反馈电压V_FB1″、V_FB2″相关的控制信号V_C来确定可变增益放大器23的增益G。控制器24例如是离散时间PID控制器。 

特别地，确定增益G以便于维持微机电回路18的振荡状态(单元回路增益具有360的整数倍数的移相)。为了这个目的，控制器24在输入端接收参考电压V_REF，其指示了期望的振荡参考幅度。 

比较器25具有连接到可变增益放大器23输入端的输入端(其限定了控制节点25a)，并且接收在来自低通滤波器22的输出端的经滤波的反馈电压V_FB1″、V_FB2″之间的电压差ΔV。比较器25在电压差ΔV的每个过零处进行切换，由此操作为频率检测器装置。在一个实施例中，比较器25被连接至单个控制节点，并在经滤波的反馈电压V_FB1″、V_FB2″之一的每个过零处进行切换(经滤波的反馈电压V_FB1″、V_FB2″的过零处和电压差ΔV的过零处重合)。 

比较器25的输出连接到移相器模块26输入端，比较器25的输出提供具有微机电回路18当前振荡频率的本地时钟信号CK_N。然而，由于电荷放大器20、带通滤波器21和低通滤波器22的存在，本地时钟信号CK_N关于驱动质量块存在相移。 

移相器模块26提供正交时钟信号CK₉₀，该信号关于本地时钟信号CK_N移相90，并用来对控制器24提供定时。实践中，正交时钟信号CK₉₀在来自低通滤波器22输出端的经滤波的反馈电压V_FB1″、V_FB2″的最大和最小处进行切换。因此，定时控制器24被正确定时以便于检测经滤波的反馈电压V_FB1″、V_FB2″之间的差ΔV的峰值。 

正如已经提到的，振荡器27、温度补偿模块28、同步级29以及定时发生器30互相合作，用于给驱动装置3、读取发生器4以及读取装置5提供定时信号。 

更详细地，振荡器27以关于微机电回路18(特别是驱动质量块7的振荡)异步的方式产生主时钟信号CK_M以及辅助时钟信号CK_AUX。振荡器27在工厂进行校准使得主时钟信号CK_M的主频率ω_M与微机电回路18的驱动频率ω_D的整数倍数N相等，N优选是2的幂，(ω_M＝Nω_D，其中N大于2⁹，例如等于2¹⁰)。 为此，将频率校准寄存器31与振荡器27相关联，并且使能从外部修改主时钟信号CK_M的频率。由从主时钟信号CK_M分频产生的辅助时钟信号CK_AUX具有与ω_M/N相等的辅助频率ω_AUX，即大体上等于驱动频率ω_D。 

温度补偿模块28包括温度传感器28a以及存储器28b。温度传感器28a与振荡器27集成在同一半导体芯片中，且与之热耦合。存储器28b包括作为温度的函数的频率校正值的经验表格，其存储内容在工厂的校准过程中进行定义。使用中，存储器28b响应于由温度传感器28a提供的温度值T而返回校正值Δ。提取出的校正值被发送至振荡器27，并用于补偿由温度变化引起的频率漂移，该频率漂移与机械部分(微结构2)以及电路(振荡器27)都有关。 

同步级29从比较器25接收本地时钟信号CK_N，从振荡器27接收辅助时钟信号CK_AUX，并且配置为根据在稳态的第一操作模式以及在稳定瞬态的第二操作模式来产生基础时钟信号CK_B。稳定瞬态发生在启动时(通电，或者从低消耗或断电、配置状态退出)，或当驱动质量块7的振荡由于外部冲击受到扰动的其它时候。 

正如下文详细说明的，在稳态情况下基础时钟信号CK_B与本地时钟信号CK_N相等，相位平移某一量以补偿由布置在驱动质量块7与可变增益放大器23之间(即在所述实施例中的电荷放大器20、带通滤波器21、低通滤波器22)的微机电回路18的部件所引入的相移(提前或延迟)。因此，在稳态情况中，基础时钟信号CK_B具有驱动频率ω_D并且与驱动质量块7的振荡是同相的。 

相反，在稳定瞬态，基础时钟信号CK_B具有与辅助时钟信号CK_AUX相同的频率。在一个实施例中，基础时钟信号CK_B也被相移在稳态情况中用于补偿的量。实质上，在稳定瞬态中，相位基本上没有影响并且也不实施相位的再调准。在本例中，基础时钟信号CK_B与辅助时钟信号CK_AUX在频率与相位上是同步的。 

当本地时钟信号CK_N(即，微机电回路18的当前振荡频率)接近驱动频率ω_D时，同步级29从第二操作模式(瞬态操作)切换到第一操作模式(稳态操作)。为了核实切换的情况，同步级29将本地时钟信号CK_N的频率与辅助时钟信号CK_AUX的频率进行比较，其在驱动频率ω_D处被校准。当差值低于阈值时，同步级29从第二操作模式切换至第一操作模式。相反，如果差值增大超出该 阈值，同步级29将返回第二操作模式。定时发生器30从振荡器27接收主时钟信号CK_M，从同步级29接收基础时钟信号CK_B，并且使用它们产生用于离散时间部件以及更普遍的用于陀螺仪1的正确操作所必要的定时信号。 

特别地，定时发生器30提供了第一定时信号φ₁，第二定时信号φ₂以及第三定时信号φ₃，其具有等于基础时钟信号CK_B频率的整数倍相等的感应频率(其在稳态情况中与驱动频率ω_D一致；例如，在一个实施例中，该整数倍为40)。 

读取发生器4通过第三定时信号φ₃来定时，并且向驱动质量块7和感应质量块8提供带有分别在每个循环的感应步骤的开始和结束处具有上升和下降沿的方波读取信号V_R(实践中，与第三定时信号φ₃相一致)。在一个实施例中，读取信号V_R是在0V至2V_CM之间变化的电压，其中V_CM是用于微机电回路18的部件的共模电压。 

图4中示出了读取信号V_R和定时信号φ₁、φ₂、φ₃之间的时间相关性，并限定了根据相关双采样(CDS)技术执行感应和控制循环。在每个循环的第一部分(t₀-t₁)(接近该周期的五分之一，复位步骤)中，第一和第二定时信号φ₁，φ₂为高，而第三定时信号φ₃为低。而后(在时刻t₁)，第一定时信号φ₁发生切换并且对于该周期的第二部分(t₁-t₂)(接近五分之二，偏移采样步骤；“偏移”在这里及下文中，意味着静态偏移以及与各种部件相关联的闪烁噪声的贡献)保持状态不变。在时刻t₂处，第二定时信号φ₂发生切换并且在该周期的第三和最后部分(t₂-t₃)(另一个五分之二，感应步骤)期间保持稳定。 

读取装置5是离散时间开环类型的，在这里所描述的实施例中，配置为根据各自的自由度执行对感应质量块8的位移的所谓“双端”读取(尤其是，用于检测感应质量块沿感应轴Y的位置y)。具体地，读取装置5具有连接到微结构2的信号感应端17a、17b的输入端，以及提供指示微结构2的角速度的输出信号S_OUT的输出端5a。 

如图5所示，在一个实施例中，读取装置5包括相互串联的电荷放大器32、接收主时钟信号CK_M以及基础时钟信号CK_B的解调器33、采样保持(S&H)级34、低通滤波器35以及输出放大器36。电荷放大器32以及解调器33是开关电容器完全差分类型的。 

陀螺仪1如下面所描述地运行。在稳态状态下，通过驱动装置3保持驱动质量块7沿驱动轴X的在驱动频率ω_D以及带有受控幅值的振荡。 

通过驱动质量块7，驱动感应质量块8被驱动沿驱动轴X运动。因此，当微结构2以某一瞬时角速度Ω，围绕垂直于轴X、Y平面的陀螺轴旋转时，感应质量块8受到科里奥利力，该力平行于感应轴Y且正比于微结构2的角速度，并正比于两个质量块7、8沿驱动轴X的速度。更精确地，通过下面的等式给出该科里奥利力(F_C)： 

F_C＝2M_SΩx′ 

其中，M_S是感应质量块8的值，Ω是微结构2的角速度，x′是两个质量块7、8沿驱动轴X的速度。在稳态状态下，速度x′以驱动频率ω_D正弦变化，具有相对于按照驱动轴X的位置x的相移90，并且具有随温度变化(该变化通常小于1％)基本是常数的幅值。通过将读取信号V_R施加到感应质量块8自身，并通过转换差分电荷包，由此通过读取装置5生成输出信号S_OUT，来读取由科里奥利力引起的感应质量块8的位移。 

控制器24、比较器25以及移相器模块26与带通滤波器21、低通滤波器22以及可变增益放大器23互相合作，用于创造并维持微机电回路18在陀螺仪1的不同操作阶段中的振荡状态。 

特别地，在稳定瞬态，驱动质量块7的振荡以及由此在微机电回路18中呈现的信号不具有支持对电压差ΔV过零的正确检测的足够的幅值。比较器25关于驱动质量块7的振荡以无条理的方式切换，因为噪声的贡献超过了有用信号。从而，同步级29在第二操作模式下运行，并且基础时钟信号CK_B具有与辅助时钟信号CK_AUX相同的频率(ω_M/N)。同步级29的第二操作模式确保了驱动质量块7以及感应质量块8的位置读取步骤的协调的定时，即使当微机电回路18的振荡没有大到足够使得比较器25能正确检测频率的时候也是如此。 

当驱动质量块7的振荡幅值接近稳态情况的时候，电压差ΔV的幅值增大，并且由此噪声贡献的比重被降低。电压差ΔV的过零处的识别逐渐变得更精确，直到同步级29检测到由比较器25提供的本地时钟信号CK_N的频率接近辅助时钟信号CK_AUX的频率，并由此达到驱动频率ω_D。同步级29切换到第一操作模 式，因此基础时钟信号CK_B与驱动质量块7的振荡在频率和相位上都是同步的。 

由此一直维持着同步，直到有断电指令或有节能(省电或睡眠模式)指令，或其它外部事件(冲击)的介入。 

所述的解决方法使得陀螺仪1能进行正确的激励，特别是关于离散部件的定时，以及驱动质量块7和感应质量块8的位移的读取。不需要使用锁相环(PLL)电路就可以获得同步，并且显著节省了占用面积、消耗以及芯片的外部附加部件。 

根据一个实施例，如图6所示，同步级29包括时钟验证模块40、复用器41，以及相位对准模块42，该相位对准模块42关联了相位校准寄存器43。 

时钟验证模块40连接至比较器25以及振荡器27，用于在各自的比较输入端40a，40b接收本地时钟信号CK_N以及辅助时钟信号CK_AUX，以及在时钟输入端接收主时钟信号CK_M。另外，时钟验证模块40构造为：验证本地时钟信号CK_N的持久性。在本地时钟信号CK_N的当前频率落在可容许范围内时，时钟验证模块40提供具有锁定(逻辑)值的时钟锁定信号CK_LOCK，以及在相反的情况下，时钟验证模块40提供异步频率(逻辑)值。 

复用器41具有：信号输入端41a，41b，其分别连接到比较器25和振荡器27，用于接收本地时钟信号CK_N以及辅助时钟信号CK_AUX；以及控制输入端41c，其连接到时钟验证模块40的输出端，用于接收时钟锁定信号CK_LOCK。该复用器41另外还具有连接到相位对准模块42的输出端，并且当时钟锁定信号CK_LOCK具有锁定值时，在输出端传递本地时钟信号CK_N，以及当时钟锁定信号CK_LOCK具有异步频率值时在输出端传递辅助时钟信号CK_AUX。 

相位对准模块42也从振荡器27接收主时钟信号CK_M，并向从复用器41接收的时钟信号施加校准的相移Δ。该校准的相移在工厂校准过程中存储在相位校准寄存器43中，并且其绝对值基本上与由布置在驱动质量块7以及可变增益放大器23之间的微机电回路的部件(即在所述实施例中的，电荷放大器20、带通滤波器21、以及低通滤波器22)引入的相移相等。 

因此消除了所述的相移，并且基础时钟信号CK_B与驱动质量块7按照驱动轴X的振荡同相。 

相位对准模块42的输出端连接到用于提供基础时钟信号CK_B的定时发生器30。 

图7更详细地示出了时钟验证模块40，其包括第一时钟计数器45、第二时钟计数器46、使能元件47以及计数比较器48。 

第一时钟计数器45具有耦合到振荡器27的、用于接收辅助时钟信号CK_AUX的计数输入端(由第二输入端40b限定)，并且存储第一计数值C₁。 

此外，第一时钟计数器45具有同步逻辑网络49，其产生同步信号S_SYNC。同步信号S_SYNC被提供给使能元件47以及计数比较器48，并且当存储在第一时钟计数器45中的第一计数值C₁小于控制值C₁ ^*时具有一使能值。当达到控制值C₁ ^*时，同步信号S_SYNC切换到非使能值，并且此外重置第一时钟计数器45。 

第二时钟计数器46具有耦合到比较器25的、用于接收本地时钟信号CK_N的计数输入端(由第一输入端40a限定)，以及与使能元件47连接的使能输入端。第二时钟计数器46存储第二计数值C₂，当第二时钟计数器46被使能时其在本地时钟信号CK_N的每一循环都递增。 

使能元件47例如是DT型的触发器，并且在数据输入端从第一时钟计数器45接收同步信号S_SYNC，以及在时钟输入端从比较器125接收本地时钟信号CK_N。以这种方式，使能元件47将同步信号S_SYNC的值传递给第二时钟计数器46的使能输入端，只要同步信号S_SYNC维持在使能值(即，直到第一时钟计数器45达到控制值C₁ ^*)，第二时钟计数器46在本地时钟信号CK_N的每一循环都递增。在使能元件47的时钟输入端上的本地时钟信号CK_N防止了伪切换和第二时钟计数器46的误差。 

计数比较器48耦合到第一时钟计数器45(从其接收同步信号S_SYNC)以及第二时钟计数器46。 

计数比较器48在输出端提供时钟锁定信号CK_LOCK，并且如下文描述的那样确定其值。 

当第一时钟计数器45在已经重置之后开始计数时，同步信号S_SYNC切换到使能值(如图8所示，其涉及启动步骤，其中驱动质量块被迫从静止位置开始振荡)。第二时钟计数器46被使能并且独立于第一时钟计数器45在本地时钟 信号CK_N的每一循环进行递增。另外，作为受迫引起的振荡幅值增加的结果，本地时钟信号CK_N的当前频率逐渐达到辅助时钟信号CK_AUX的频率。本地时钟信号CK_N的频率变化在图8中以扩大的方式示出。当第一时钟计数器45达到控制值C₁ ^*时，同步信号S_SYNC切换到非使能值，并且冻结存储在第二时钟计数器46中的最终计数值C₂ ^*。 

另外，计数比较器48分别从第一时钟计数器45和第二时钟计数器46中提取控制值C₁ ^*和最终计数值C₂ ^*，并根据锁定条件是否被验证而将向时钟锁定信号CK_LOCK分配一个值： 

$\left|\frac{C_1^{*}-C_2^{*}}{C_1^{*}}\right|\≤X.$

更精确的，如果控制值C₁ ^*与最终计数值C₂ ^*满足锁定的条件，将锁定值指定给时钟锁定信号CK_LOCK。实际上，在本例中，本地时钟信号CK_N的当前频率接近辅助时钟信号CK_AUX的频率，且由此接近驱动频率ω_D。 

在相反的情况下，即如果没有验证出不相等，则计数比较器48将异步频率值指定给时钟锁定信号CK_LOCK。 

图9图示了根据本发明的一个实施例的电子系统100的一部分。该系统100包含陀螺仪1，且可以用在装置中，例如像掌上式电脑(个人数字助理，PDA)，膝上式或便携式电脑(可能具有无线能力)，蜂窝电话，消息通讯装置，数字音乐阅读器，数字照相机或其他设计成处理、存储、传送或接收信息的装置。例如，陀螺仪1可能用在数字照相机中，用于检测移动和执行图像稳定。在其他实施例中，陀螺仪1包括在便携式计算机、PDA、或蜂窝电话中，用于检测自由下落状态和激活安全配置。在另外的实施例中，陀螺仪1包括在通过运动而激活的用户接口中，用于计算机或视频游戏的控制台。在另外的实施例中，陀螺仪1并入卫星导航装置中，并且在卫星定位信号丢失的情况下用于位置的临时跟踪。 

电子系统100可以包括：控制器110、输入/输出(I/O)装置120(例如键盘或屏幕)、该陀螺仪1、无线接口140、和易失性或非易失性类型的存储器160，其通过总线150而彼此耦合。在一个实施例中，使用电池180来向系统100供电。需要注意的是，本发明的范围不限定于必须具有所列装置中的一个 或全部的实施例。 

该控制器110可能包括，例如一个或更多个微处理器、微控制器和类似物。 

可使用该I/O装置120来生成消息。该系统100可使用该无线接口140来通过射频(RF)信号给无线通信网络传送消息和从无线通信网络接收消息。无线接口的例子可能包括，天线、无线收发机(例如偶极天线)，尽管本发明的范围不受限于此。此外，该I/O装置120可提供代表那些存储的以数字形式输出(如果已存储了数字信息)或以模拟形式输出(如果已存储了模拟信息)的内容的电压。 

最终，应该清楚，在没有背离如附加权利要求所限定的本发明的范围内，可对所描述的陀螺仪和方法作出改进和变化。 

特别地，该陀螺仪可以具有任何不同的微机械结构。例如，在下述情况中可以有利地利用该发明：具有一个或更多个关于驱动质量块线性可移动并对倾斜和/或旋转(此外，对偏航旋转)敏感的感应质量块的陀螺仪；具有围绕中心轴或非中心轴振荡的悬臂感应质量块或梁式感应质量块的陀螺仪；以及，具有角振荡驱动质量块的单轴和多轴的陀螺仪。 

Claims (15)

1.一种微机电陀螺仪，其包括：

主体(6)；

驱动质量块(7)，其根据驱动轴(X)以第一自由度相对于所述主体(6)可移动，以及感应质量块(8)，其机械耦合至所述驱动质量块(7)以被带入根据驱动轴(X)的运动中，并且根据感应轴(Y)以第二自由度相对于所述驱动质量块(7)可移动，以响应于所述主体(6)的旋转；

驱动装置(3)，与所述主体(6)和所述驱动质量块(7)一起形成微机电控制回路(18)，并设置成根据所述驱动轴(X)以一驱动频率(ω_D)维持所述驱动质量块(7)的振荡；

其中驱动装置(3)包括频率检测器模块(25)，其连接到微机电控制回路(18)的控制节点(25a)，并且配置为提供第一时钟信号(CK_N)，所述第一时钟信号(CK_N)带有与驱动质量块(7)的当前振荡频率相等的频率；

其特征在于，所述驱动装置(3)还包括同步级(29)，其配置为在第一操作模式中向所述第一时钟信号(CK_N)施加校准的相移(

)，以补偿由布置在所述驱动质量块(7)与所述控制节点(25a)之间的所述微机电控制回路(18)的部件(20，21，22)引起的相移。

2.根据权利要求1的陀螺仪，其中，所述同步级(29)配置为在第一操作模式中提供第二时钟信号(CK_B)，其具有与第一时钟信号(CK_N)相同的频率以及与校准的相移(

)相等的相移。

3.根据权利要求2的陀螺仪，还包括定时发生器(30)，其配置为基于第二时钟信号(CK_B)提供多个定时信号(Φ₁，Φ₂，Φ₃)。

4.根据权利要求3的陀螺仪，其中所述定时信号(Φ₁，Φ₂，Φ₃)具有与所述第二时钟信号(CK_B)频率的整数倍相等的频率。

5.根据权利要求3或4的陀螺仪，其中微机电控制回路(18)至少包括开关电容器部件(20)，所述开关电容器部件(20)通过定时信号(Φ₁，Φ₂，Φ₃)来操作。

6.根据权利要求3-5任意之一的陀螺仪，包括读取发生器(V_R)，其与所述驱动质量块(7)以及所述感应质量块(8)耦合，用于提供方波读取信号(V_R)。

7.根据权利要求3-6任意之一的陀螺仪，其中通过所述定时信号(Φ₁，Φ₂，Φ₃)中的至少一个对所述读取发生器(V_R)进行定时。

8.根据权利要求2-7任意之一的陀螺仪，包括振荡器(27)，其关于微机电控制回路(18)异步，并被校准以提供具有与驱动频率(ω_D)接近的辅助频率(ω_AUX)的第三时钟信号(CK_AUX)。

9.根据权利要求8的陀螺仪，其中在第二操作模式中，所述第二时钟信号(CK_B)具有所述第三时钟信号(CK_AUX)的辅助频率(ω_AUX)。

10.根据权利要求9的陀螺仪，其中所述同步级(29)配置为将所述第一时钟信号(CK_N)的频率与所述第三时钟信号(CK_AUX)的辅助频率(ω_AUX)进行比较，并且当所述第一时钟信号(CK_N)的频率与所述第三时钟信号(CK_AUX)的辅助频率(ω_AUX)之差降到阈值之下时，从第二操作模式切换到第一操作模式，以及当所述第一时钟信号(CK_N)的频率与所述第三时钟信号(CKAUX)的辅助频率(ωAUX)之差超出所述阈值时，从第一操作模式切换到第二操作模式。

11.根据权利要求9或10的陀螺仪，其中所述同步级(29)包括：

时钟验证模块(40)，其耦合到频率检测器模块(25)及振荡器(27)，用于分别接收所述第一时钟信号(CK_N)与所述第三时钟信号(CK_AUX)，并且配置为当所述第一时钟信号(CK_N)的频率落在驱动频率(ω_D)附近的可接受的范围内时，提供具有第一逻辑值的时钟锁定信号(CK_LOCK)，以及当所述第一时钟信号(CK_N)的频率落在所述可接受的范围外时，提供具有第二逻辑值的时钟锁定信号(CK_LOCK)；

选择器(41)，其耦合到频率检测器模块(25)及振荡器(27)，用于分别接收所述第一时钟信号(CK_N)与所述第三时钟信号(CK_AUX)，并且由所述时钟验证模块(40)所控制，用于当所述时钟锁定信号(CK_LOCK)具有第一逻辑值时在输出端提供所述第一时钟信号(CK_N)，以及当所述时钟锁定信号(CK_LOCK)具有第二逻辑值时，在输出端提供所述第三时钟信号(CK_AUX)；以及

相位对准模块(42)，配置为当所述时钟锁定信号(CK_LOCK)具有第一逻辑值时，向所述第一时钟信号(CK_N)施加校准的相移(

)。

12.根据权利要求8-11任意之一的陀螺仪，包括温度补偿模块(28)，其与振荡器(27)耦合，用于补偿由温度变化引起的频率漂移。

13.根据权利要求12的陀螺仪，其中所述温度补偿模块(28)包括与振荡器(27)热耦合的温度传感器(28a)，以及存储器(28b)，所述存储器(28b)包含多个校正值(Δω)并且配置为响应于由温度传感器(28a)提供的温度值(T)而返回各自的校正值(Δω)。

14.一种系统，其包括控制单元(410)以及与该控制单元(410)耦合的根据权利要求1-14任意之一的微机电陀螺仪(1)。

15.一种用于激励微机电陀螺仪的方法，其中所述微机电陀螺仪包括主体(6)、驱动质量块(7)和感应质量块(8)，所述驱动质量块(7)根据驱动轴(X)以第一自由度相对于所述主体(6)可移动，所述感应质量块(8)机械耦合至所述驱动质量块(7)以被带入根据驱动轴(X)的运动中，并且根据感应轴(Y)以第二自由度相对于所述驱动质量块(7)可移动，以响应于所述主体(6)的旋转；

所述方法包括：

通过包括所述主体(6)以及所述驱动质量块(7)的微机电控制回路(18)，根据该驱动轴(X)以驱动频率(ω_D)维持所述驱动质量块(7)的振荡，；以及

在所述微机电控制回路(18)的控制节点(25a)处检测所述驱动质量块(7)的当前振荡频率；

其特征在于，至少在一个操作模式中向第一时钟信号(CK_N)施加校准的相移(

)，以补偿由布置在所述驱动质量块(7)与所述控制节点之间的所述微机电控制回路(18)的部件(20，21，22)引起的相移。

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