CN102906539A - 具有改良老化性能的角速度传感器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种具有改良老化和磁滞性能的角速度传感器。该传感器可以是通过驱动电路驱动的环型电路，所述传感器还包括具有相应信号敏感元件的初级和次级部分。初级敏感元件信号的增益和所述传感器的所述初级部分的电容相对于所述次级敏感元件的增益和所述传感器的所述次级部分的电容而被控制。控制电子元件被提供以使来自各个通道的相关信号匹配。通过这种方式，克服了用于形成所述传感器的材料的温度磁滞和老化的影响。

Description

具有改良老化性能的角速度传感器
技术领域
本发明涉及传感器。更特别的但不仅仅涉及诸如惯性传感器的传感器，例如，科里奥利（coriolis）陀螺仪，其中线速度分量被首先建立并且依赖科里奥利力的速度是该速度的函数。
背景技术
许多惯性传感器的类型是已知的。例如，包含MEMS型环的角速度传感器是已知的并且这样的实例可以在GB2322196中看到。在这样的角速度传感器中，振动平面环或类环状结构被公开。该类环状结构通过合适的支持座悬浮在空间中以用于检测转角度速度、线性加速度和角加速度。旋转速度通过检测科里奥利力耦合的振动被感知，然而线性加速度和角加速度通过的整个环或类环状结构在其底座中的横向的、纵向的和摇摆的运动而被感知。
这些传感器被要求源自激励（stimuli）的准确的测量信号，所述激励也被传感器控制。在科里奥利陀螺仪的情况下，线速度被转换器（transducer）设置和控制并且速率响应也被‘类似的’转换器测量。
通常MEMS环型结构由晶体硅形成并且包含由锆钛酸铅(PZT)材料形成的转换器。当在低成本MEMS传感器应用中被用做转换器技术时，在信号电平方面（以及因此的信噪比水平）PZT材料有显著的效益。然而PZT与其他的转换器技术（电感、电容）相比遭受基本老化和温度漂移。由于温度效应引起的增益变化可以引起速速度传感器比例因子变化，而这个误差能够通过用独立的温度传感器被弥补但是老化通常是限制因素。另外由于存在非常大的正交偏差信号（相对于所需速度信号其处于90度（电气的）相位且通常比所需速度信号大3个数量级），在确定整个速度传感器的偏差（0偏移）中，所述转换器的相位精度是关键的误差。相位收到PZT材料特征特别是电容的影响，并且也遭受到相关于漂移的大的温度和老化的影响。所有这些问题的结果是，在MEMS传感器中PZT转换器的使用受到限制并且PZT通常只用在低性能应用中或用在稳定性在短时间内被需要的情况中，例如在GPRS辅助导航系统中。
发明内容
根据本发明提供具有改良磁滞和老化性能的一种角速度传感器，该传感器包括初级和次级传感器元件，所述传感器还包括连接到所述初级和次级元件的初级通道和次级通道，所述初级通道包括用于启动和保持所述初级元件中的共振的初级驱动器装置，所述次级通道包括用于检测由所述初级元件响应于所述传感器的运动而生成的信号的检测装置，所述检测装置根据所述传感器的运动而生成输出信号，其中所述传感器的初级和次级元件特意地由不同体积的材料形成以使所述传感器材料的劣化不影响所述主要和辅助通道的增益。
根据本发明的另一方面，提供克服传感转换器材料中的磁滞和老化的一种方法，该方法包括相对于传感器内的次级转换器中的材料体积增加传感器内次级转换器中的材料体积。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，其中：
图1是示出传感器和控制电子器件的角传感器的示意图，其中为了弥补老化磁滞转换器和控制电子器件可以被改进。
图2是更详细地示出图1传感器部分的示意图，可以结合本发明的一种形式被改进。
图3a是根据本发明的一种形式的转换器和匹配图2元件的放大器的示意图，其中转换器被完美且理想地匹配。
图3b是根据本发明另一种形式的图1的转换器和放大器的示意图，其中转换器是不匹配的；即初级转换器的增益是次级转换器的增益的1/150th。
图3c是根据本发明另一种形式的图1的转换器和放大器的示意图，其中放大器是不匹配的；即初级放大器的增益是次级放大器的增益的1/150th。
图3d是根据本发明另一种形式的图1的转换器和放大器的示意图，其中转换器和放大器不匹配；即初级转换器的增益是次级转换器的增益的1/10th，并且初级放大器的增益是次级放大器的增益的1/15th。
图3e是根据本发明另一种形式的图1的转换器和放大器的示意图，其中转换器和放大器不匹配；即初级转换器的增益是次级转换器的增益的1/10th，并且初级放大器的增益是次级放大器的增益的1/15th，而且系统的电容通过转换器材料的填充而改变；以及
图4a和4b是上文描述的示出转换器元件在特定位置中填充的转换器元件的示意图。
具体实施方式
如图1所示，角速度传感器的MEMS环结构1包括内部2和外部3，其边缘绕着共同轴延伸，并因此有区别的进行驱动和敏感元件（pickoff）的操作。应该领会本发明不依赖于单独驱动和差分敏感元件转换器，因为初级敏感元件和次级敏感元件是相同的。压电式初级驱动装置4被提供以引起传感器在支撑架上振动（未示出）。所述支撑架可以包括用于支撑传感器并用于允许其响应于压电式初级驱动装置的输入以基本无阻尼振荡的模式振动的多个灵活的支撑梁（未示出）。
这使得共振器能够相对支撑装置响应于包括传感器的系统的旋转速度而移动。
检测电路5被提供至来自传感器的一系列信号6被输入的地方。由传感器输出的信号包括初级敏感元件6a和次级敏感元件信号6b，并且转换器板块被布置成使得信号是差分形式。这些信号从传感器的初级和次级部分被输出。
初级敏感元件差分转换器信号被输入到包括差分电荷放大器（初级敏感元件放大器）7的初级通道，该差分电荷放大器提供增益的高电平以便以载波频率提供低噪差分正弦输出信号。然后这个信号通过同步检测器8和适当的滤波以将控制信号提供到初级驱动电路1以便设置被施加到MEMS的驱动电平，以确保初级敏感元件放大器输出在可控的固定级别。初级敏感元件放大器7的输出也被施加至初级锁相环（PLL）和压控振荡器（VCO）10，其锁定敏感元件信号以提供用于同步检测器8的时钟。初级敏感元件放大器7的输出还被施加至初级相移电路11，其通过两个因素放大所述信号并且将差分信号的相位移动90°。相移电路11的输出被应用至初级驱动器电路1，其通过AGC控制信号乘相移电路11的差分正弦输出以生成差分MEMS驱动波形。
初级敏感元件差分转换器信号被输入到包括速度通道同步检测器14的次级通道。同步检测器输出与二次响应差分信号的振幅相关的偏移，然后二次响应差分信号在速度输出信号上被滤波并转换成单端偏移（single endedoffset），并被输入到ADC15。该ADC输出表示传感器运动的信号。
在速度测量通道（次级敏感元件6b）中的任何误差能够通过在该系统结构中的初级敏感元件通道（6a和7）内类似的误差而被取消。因此老化和磁滞的影响能够被去除。图2示出然后必须被考虑的优化实施的功能。
图3a示出理想的匹配情况，其中次级（速度感应通道）和初级（激发通道（excitation channel））增益是完全相同的。在MEMS转换器或电子部件中的任何变化很有可能完美匹配（尤其在高度集成ASIC/MEMS实施中）。
不幸的是在任何实际应用中，初级和次级通道之间的增益通常大相径庭（150:1），其使得匹配非常困难。图3b和3c示出通过缩放MEMS转换器增益（图3b）或缩放电子放大器增益（图3c）实现这些增益的2种极端情况。这两种方案都不能提供实际解决方案，因为MEMS转换器的高电容意味着电子性能被所述MEMS影响并且反之亦然。
图3d示出当增益差异被在MEMS转换器和电子放大器之间共享时的更实际的解决方案。主要误差仍然是转换器（压电材料）电容不匹配，其以与转换器增益相似的方式承受老化和温度变化，但是它直接影响电子放大器的性能并因此产生额外的误差。
在使用中，在初级元件上的运动的振幅将远远大于次级元件，所以初级压电式转换器增益需要显著的变小，并且这通过使其物理地变小实现，但是通常匹配厚度和宽度。
对于存在与角速度传感器成比例的次级运动的开环传感器，陀螺仪的比例因子取决于初级敏感元件信号与次级敏感元件信号的比率。因此一阶（firstorder）比例因子不依赖于初级和次级转换器的类似的增益变化。如果初级和次级转换器以不同的方式老化（可能由于所使用材料的性质），则在比例因子将有纯粹的变化。
电子器件中存在次级增益比初级增益高的特定的增益差异。但是前端（front end）电子器件的增益取决于转换器的源电容。因此如果压电式电容在初级和次级之间被匹配，则在初级和次级压电式转换器的增益差异的存在中有效的电子增益能够在初级和次级通道被匹配。
如所述的本发明的一种形式中，器能够通过在初级转换器的额外填充电容而实现，不添加任何增益，只是电容。
因此初级和次级电容能够在增益差异的出现中被匹配以便电子增益在两个通道之间跟踪（track）。同样地，由于所述增益的比率保持不变，随着压电老化，压电式转换器将进行跟踪。
通过这样的方式，开环振动陀螺仪的比例因子可以稳定地防止压电材料的老化和磁滞，这将在下文中更详细描述。
根据本发明的一种形式，如图3e所示，解决方案将首先通过使转换器变得非常小（通常KS/10）而最小化初级增益（Kp）以及然后在不承受机械应力的区域使用额外PZT材料‘填充’转换器电容。这不会导致信号的产生（因此KP<<KS）但是将使电容相等（CS=Cp）所以相同的源阻抗被提供给电子放大器。因此转换器的初始电容将被匹配并且更重要的是电容的老化特性也将匹配。因此，对电子放大器的影响也将被匹配以防止其他误差的引入。这还将有一个要求，优化放大器（具有不同增益）以最小化基本电子性能的不匹配并且这能够独立于MEMS的误差而实现。
然后信号处理电子器件可以具有不同的增益以使整个增益KS=150*KP。然后电子器件的相位和增益精度能够通过使放大器的开环增益比率匹配于闭环增益比率而被匹配，以使对电容变化或者放大器增益变化的敏感性匹配于两个转换器。
通过这种方式，老化PZT在MEMS速度陀螺仪的老化和温度滞后效应被克服。
将被领会的是，尽管本发明参考使用上文描述的类型的PZT压电式转换器的角速度传感器而被描述，其可以同样适用于除了PZT之外的压电材料。此外，提供整个传感器的诸如电容或电感的其他形式的能量转换需要类似的转换器以用于设置传感器基本操作点。
此外，以上描述的实施方式公开了一种具有环型传感器元件的传感器，将领会的是，其可以被应用于元件可以被如上所述而被填充的任何形式的传感器。
此外，将领会的是所述转换器不必是差分（如图1所示）而可以是任何合适的形式。
而且，上述实施方式详细描述了初级和次级通道之间的1/150的增益并将领会的是这仅仅是实时系统中不同需要的一个实例而不是理论模型。本发明将使用任何系统，在该系统中增益不是1:1并且当增益差别很大时尤为重要。
进一步的，任何用于能量转换的块体材料（bulk material），例如压电式电阻，也将受益于上文描述的本发明。

Claims (8)

1.一种具有改良磁滞和老化性能的角速度传感器，该传感器包括初级和次级传感器元件，所述传感器还包括连接到所述初级和次级元件的初级通道和次级通道，所述初级通道包括用于启动和保持所述初级元件中的共振的初级驱动器装置，所述次级通道包括用于检测由所述次级元件响应于所述传感器的运动而生成的信号的检测器装置，该检测器装置根据所述传感器的所述运动而生成输出信号，其中所述传感器的所述初级和次级元件特意地由不同体积的材料形成以便所述传感器材料的劣化不影响所述初级和次通道的增益。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中初级转换器元件的电容由于形成所述初级转换器元件的材料体积的增加而随着次级转换器元件的电容变化。
3.根据上述权利要求中的任一项权利要求所述的传感器，其中所述转换器元件由任何合适的压电材料形成。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述压电材料是锆钛酸铅(PZT)。
5.根据权利要求2-4中的任一项权利要求所述的传感器，其中所述转换器材料体积中的变化补偿所述初级和次级通道电子器件中的不匹配。
6.根据上述权利要求中的任一项权利要求所述的传感器，其中所述传感器是环型的。
7.一种用于克服传感器转换器材料中的磁滞和老化的方法，该方法包括相对于传感器内次级转换器中的材料体积，增加所述传感器内初级转换器中的材料体积。
8.一种如上所述参考附图的传感器或方法。
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