CN105074384A - 简化校准的陀螺仪以及陀螺仪的简化校准方法 - Google Patents

Abstract

一种陀螺仪，该陀螺仪包括在激励下运动的质量块和在检测中运动的质量块、用于在第一方向上向激励质量块施加激励信号的装置、用于对检测质量块在与第一方向垂直的第二方向上的运动进行检测的装置和用于对激励质量块在第二方向上的运动进行检测的装置以及用于处理由对检测质量块的运动进行检测的装置和对激励质量块在第二方向上的运动进行检测的装置所发出的检测信号的处理装置(I、II、IIˊ)，从而获得相位偏置(Bi)、正交偏置(Bq)和放大因数(A)。

Description

简化校准的陀螺仪以及陀螺仪的简化校准方法

技术领域

本发明涉及一种具有简化校准的MEMS和/或NEMS型陀螺仪以及陀螺仪的简化校准方法。

背景技术

MEMS(MicroElectroMechanicalSystem，微机电系统)和/或NEMS(NanoElectroMechanicalSystem，纳机电系统)型的陀螺仪通常包含使用弹簧共同悬挂并连接到衬底上的一个质量块或一组质量块组成。一个或多个质量块具有数个自由度，并且被设定为根据多个模式之一来谐振受控振动，该模式被称为按照第一自由度的激励模式。当存在旋转时，科里奥利力(Coriolisforce)出现并且将质量块或全部质量块中的一部分设定为按照与第一自由度垂直的第二自由度振动，并且对应的模式被称作检测模式。

多数陀螺仪使用机械解耦将激励部分和检测部分隔离。在激励存在机械缺陷的情况下，将会生成按照检测方向的运动并且这将影响检测质量块。

陀螺仪中存在偏置。该偏置具有与科里奥利信号Ω同相的分量Bi，称为相位偏置，以及正交分量Bq，称为正交偏置。通过测量检测质量块，则获得以下信号S：

S＝(B_i+Ω)cos(ω₀t)+B_qsin(ω₀t)(1)

在理想情况下，通过解调陀螺仪提供的信号，正交偏置应当被消除。然而，解调绝不是完美的，并且具有相位误差和相位噪声

解调信号如下：

正交偏置因而导致出现解调信号中偏置分量以及噪声分量。

因此，正交偏置无法被消除。

该偏置的存在归因于实现陀螺仪期间的技术缺陷。

主要缺陷是非对角线刚度系数k_xy，该非对角线刚度系数生成正交偏置。在平面内激励模式和平面内检测模式的框架内，陀螺仪则被称为“陀螺仪Z”，因为这允许检测围绕平面外的轴线的旋转，该正交偏置尤其归因于激励弹簧的过度刻蚀造成的局部振动。此现象在以下文件中进行了说明：S.V.Iyer，“Modelingandsimulationofnon-idealitiesinaZ-axisCMOS-MEMSgyroscope”(Z轴CMOS-MEMS陀螺仪中的非理想因素的建模和仿真)，自然哲学博士论文集，电子工程系，卡内基梅陇大学，匹兹堡，巴拿马，2003年，以及E.Tatar、S.E.Alper、T.Akin，“EffectofquadratureerrorontheperformanceofafullydecoupledMEMSgyroscope”(完全解耦MEMS陀螺仪的性能的正交误差的影响)，IEEEMEMS2011会议，坎昆，墨西哥，2011年1月23日至27日，第569-572页。

在平面内激励模式和平面外检测模式的框架内，陀螺仪则被称为“陀螺仪X或Y”，该偏置尤其归因于激励弹簧的刻蚀角度。此现象在以下文件中进行了说明：P.Merz、W.Pilz、F.Senger、K.Reimer、M.Grouchko、T.Pandhumsoporn、W.Bosch、A.Cofer、S.Lassig，“ImpactofDRIEonVibratoryMEMSgyroscopeperformances”(DRIE对振动MEMS陀螺仪性能的影响)，Transducers&Eurosensors2007会议，里昂，法国，2007年6月10日至14日，第1187-1190页，以及M.S.Weinberg、A.Kourepenis，“Errorsourcesinin-planesilicontuning-forkMEMSgyroscopes”(平面硅音叉MEMS陀螺仪内的误差来源)，为电子机械系统杂志，第15卷，第3号，第42至54页，2006年6月。

该正交偏置导致激励的运动，该运动与激励轴线并不完全共线。

非对角线阻尼系数c_xy和激励电极的检测模式的直接激励F_exc ^y也能够是相位偏置或者正交偏置的来源。

如上文中所指，多数陀螺仪实现激励质量块和检测质量块。在激励质量块存在机械缺陷的情况下，将会生成按照检测方向的运动并且这将影响检测质量块。

激励质量块和检测质量块系统的方程如下：

$m\stackrel{\·\·}{x}+c_x\stackrel{\·}{x}+k_{x}x=F_{exc}$

$y_1=y_{1q}+y_{1i}=\mathrm{\α}x+\mathrm{\β}\stackrel{\·}{x}$

$m_2{\stackrel{\·\·}{y}}_2+c_{y2}{\stackrel{\·}{y}}_2+k_{y2}(y_2-y_1)=2m_2\stackrel{\·}{x}\mathrm{\Ω}$

$Y_{2q}=\frac{Y_{1q}}{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{{\mathrm{\ω}}_{0\det }}\right)}^2+i\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{Q_{\det }{\mathrm{\ω}}_{0\det }}},Y_{2i}=\frac{Y_{1i}}{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{{\mathrm{\ω}}_{0\det }}\right)}^2+i\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{Q_{\det }{\mathrm{\ω}}_{0\det }}}$

$\frac{Y_{\mathrm{\Ω}}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{2{\mathrm{i\ω}}_{0exc}X}{{{\mathrm{\ω}}_{0\det }}^2(1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{{\mathrm{\ω}}_{0\det }}\right)}^2+i\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{Q_{\det }{\mathrm{\ω}}_{0\det }})}$

ω_0exc激励频率；

ω_0det检测频率；

Q_det品质因数。

激励质量块的偏置移动被检测模式的振荡器以被称为放大因数的因数A放大：

$A=\left|\frac{1}{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{{\mathrm{\ω}}_{0\det }}\right)}^2+i\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{Q_{\det }{\mathrm{\ω}}_{0\det }}}\right|=\frac{1}{\sqrt{{\left(1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{{\mathrm{\ω}}_{0\det }}\right)}^2\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}{Q_{\det }{\mathrm{\ω}}_{0\det }}\right)}^2}}$

在调谐频率工作模式(即激励频率等于检测频率)的情况下，放大因数A为：

A＝Q_det

品质因数Q_det约为1000至100000。

在此情况下，机械灵敏度为：

$\frac{Y_{\mathrm{\Ω}}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{2{\mathrm{XQ}}_{\det }}{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}=\frac{2XA}{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}$

在非调谐频率工作模式(即激励频率小于检测频率)的情况下，放大因数为：

$A\≈\frac{1}{2\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_{\det }}}$

放大因数A约为2至100。对于20kHz的工作频率f_0exc和1kHz的偏移f_0det，该因数为10。在此情况下，机械灵敏度为：

$\frac{Y_{\mathrm{\Ω}}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{2{\mathrm{\ω}}_{0exc}X}{2\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_{0\det }}{{\mathrm{\ω}}_{0\det }}^2}=\frac{2X}{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}A\×{(1-\frac{1}{2A})}^2$

应当注意，激励频率是已知的，这是因为激励模式是谐振受控的。

然而，该放大因数能够在整个相同衬底上、或者在不同衬底之间大幅变化。尤其是，当工作在非调谐频率下时，按照所看到的标称频率偏移，放大因数能够很容易地以因数2甚至更多来变化。另外，该放大因数随温度变化。

而且，在实现电容式检测的陀螺仪的情况下，按照检测模式的运动被变换为电容变化，电容变化取决于在检测质量块的运动过程中电极之间的空气间隙的变化。然而，空气间隙的初始尺寸在不同的晶片中彼此不同，但是通常被控制在几个百分点内，甚至小于1％。

这些技术缺陷的存在要求在使用陀螺仪之前校准陀螺仪，以针对一个或多个温度来确定各个传感器固有的偏置并且获得传感器的灵敏度。

这样的校准借助于旋转表来完成。尤其是，对于多轴传感器，或者需要在不同表上获得与轴线数量成比例的若干测量值，又或者使用诸如文件US6209383中所述的复合表。

由于陀螺仪的偏离，对定期的温度修正或重校准进行规划。

一旦已知温度特性变化的系数，温度修正能够经通过传感器在工作期间的温度测量由现有的温度计算来完成。

该测量能够通过测量已知的谐振激励频率来进行。输出信号则通过考虑温度来修正。

还能够完成定期的重校准。例如，文件US2011/0172820说明了一种用于对安装在机器人中的陀螺仪进行重校准的方法。当机器人静止时，重校准通过使用陀螺仪发出的信号来实现。在文件US2011/078707中，重校准实现诸如加速计和磁力仪之类的其他传感器。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种陀螺仪，该陀螺仪能够以简化方式进行校准和重校准，并且提供了陀螺仪的简化校准和重校准方法。

上述目的由一种陀螺仪来实现，该陀螺仪包括在激励下能够运动的质量块和在检测中能够运动的质量块，用于在第一方向上向激励质量块施加激励信号的装置，用于对检测质量块在与第一方向垂直的第二方向上的运动进行检测的装置和用于对激励质量块在第二方向上的运动进行检测的装置，以及用于处理由对检测质量块的运动进行检测的装置和对激励质量块在第二方向上的运动进行检测的装置所发出的检测信号的装置，以此获得陀螺仪的至少一个校准参数。

例如，这些校准参数能够是相位偏置、正交偏置和放大因数。

本发明照此允许跟踪传感器在工作过程中的偏置和/或灵敏度的变化。

换言之，陀螺仪另外测量检测质量块沿检测方式向的运动以确定科里奥利力，由偏置造成的激励质量块沿检测方向的运动。通过获取测量值，并且通过使用检测质量块的测量值来处理该获取的测量值，则可以确定陀螺仪的偏置(相位偏置和正交偏置)、放大因数和转速。

得知这些参数可以校准和重校准陀螺仪。

如上所述，这些参数随温度变化，如果检测到环境温度的变化，则得益于本发明而非常简单地重新确定参数，这使得可以实现陀螺仪的简化重校准。

得益于本发明，校准能够在没有旋转表的情况下完成，并且在不使用额外的传感器且不需要陀螺仪的静止位置的情况下完成重校准；重校准能够在陀螺仪的正常工作过程中完成，这简化了重校准。

因此，本发明的主题是一种陀螺仪，包括：

至少一个激励振荡器，包括悬挂在衬底上的至少一个激励质量块，所述激励质量块具有单个激励运动方向；

至少一个检测振荡器，包括悬挂在所述激励质量块上的至少一个检测质量块，所述检测质量块能够沿所述激励方向并且沿与所述激励方向垂直的检测方向运动；

激励装置，用于在所述激励运动方向上激励所述激励质量块；

第一检测装置，用于对所述检测质量块沿所述检测方向的运动进行检测并提供第一检测信号，

该陀螺仪还包括：

第二检测装置，用于对所述激励质量块沿所述检测方向的运动进行检测并提供第二检测信号；以及

处理装置，用于处理所述第一检测信号和所述第二检测信号，以便确定所述陀螺仪承受的转速并提供所述陀螺仪的至少一个校准参数。

陀螺仪的转速使用科里奥利力来确定。

优选地，所述陀螺仪的所述至少一个校准参数是放大系数，所述放大系数对所述陀螺仪的灵敏度和/或所述陀螺仪的偏置进行表征。放大系数使得可以通过使用本领域的技术人员已知的方程式并尤其是上文中给出的方程式来确定陀螺仪的灵敏度。

所述第一检测信号和所述第二检测信号的所述处理装置使用所述第一检测信号来确定正交偏置以及相位偏置和转速之和，使用所述第二检测信号来确定所述相位偏置和放大系数的比率以及所述正交偏置和所述放大系数的比率，并且使所述正交偏置除以所述正交偏置与所述放大系数的比率来确定所述放大系数。

所述第一检测信号和所述第二检测信号的所述处理装置将所述相位偏置和所述放大系数的比率与由所述除法确定的所述放大系数相乘。

优选地，处理装置包括第一检测信号和第二检测信号的放大装置以及能够解调放大信号的第一装置。

更优选地，所述处理装置进一步包括第二装置，所述第二装置被用于在所述第一解调装置之前解调所述放大信号并对所述放大信号滤波，从而将解调信号变换到所述陀螺仪的驱动频率下。

在一个实施例中，第一检测装置和第二检测装置是电容类型的。测量信号的放大装置能够包括与至少一个电容器并联安装的放大器。

在另一实施例中，第一检测装置和第二检测装置是压阻类型的。测量信号的放大装置能够包括一个或多个具有差分输入端的放大器。

“具有差分输入端的放大器”指的是可以对输入信号之间的差进行放大的放大器。

例如，能够解调所述放大信号的所述第一装置包括所述第二检测信号的滤波器和所述第一检测信号的滤波器，所述第二信号的滤波器的通带比所述第一检测信号的滤波器的通带小，以此所述第一检测信号和所述第二检测信号具有接近或相同的分辨率。

该陀螺仪能够包括所述第二检测信号的移位(shift)装置，在使用所述第一解调装置对所述第二检测信号的解调之前使用所述移位装置应用该移位，以此重现所述检测振荡器的移位。

优选地，陀螺仪具有未调谐的激励频率和检测频率。

有利地，所述激励质量块被弹簧类型的悬挂装置悬挂在所述衬底上，所述悬挂装置具有沿所述检测方向的第一弹簧常数以及沿所述激励方向的第二弹簧常数，所述第一弹簧常数远大于所述第二弹簧常数。

第一弹簧常数和第二弹簧常数的比率能够大于100。

陀螺仪能够包括位于放大装置上游的连接装置，例如开关或多个开关，从而周期性地完成对所述陀螺仪的所述至少一个校准参数的确定。

本发明的另一主题是一种陀螺仪的校准方法，所述陀螺仪包括至少一个激励振荡器，所述激励振荡器包括至少一个激励质量块和至少一个检测质量块，所述激励质量块具有单个激励运动方向，所述检测质量块能够沿所述激励方向并沿检测方向运动，所述方法包括以下步骤：

a)测量所述检测质量块在所述检测方向上的运动，形成第一检测信号；

b)测量所述激励质量块沿所述检测方向的运动，形成第二检测信号；

c)处理所述第一检测信号和所述第二检测信号，以便确定所述陀螺仪承受的转速并提供所述陀螺仪的至少一个校准参数；

d)基于该参数来校准所述陀螺仪。

处理第一信号和第二信号的步骤c)包括：

处理所述第一检测信号，以便获得正交偏置以及相位偏置和转速之和；

处理所述第二检测信号，以便获得所述相位偏置和放大系数的比率以及所述正交偏置和所述放大系数的比率；

通过使所述正交偏置除以所述正交偏置和所述放大系数的比率来确定所述放大系数。

步骤a)能够包括以下子步骤：

a1)对所述第一检测信号放大并滤波；

a2)解调第一放大信号；以及

步骤b)能够包括以下子步骤：

b1)对所述第二检测信号放大并滤波；

b2)解调第二放大信号。

根据权利要求的校准方法，包括介于步骤a1)和a2)之间以及步骤b1)和b2)之间的解调滤波步骤，以便将所述第一放大信号和所述第二放大信号变换到驱动频率。

在检测信号为电容性的示例中，步骤a2)和b2)由电容式读取级来完成。

在检测信号为压电性的示例中，步骤a2)和b2)由一个或多个具有差分输入端的放大器来完成。

该方法有利地依照陀螺仪的环境变化被连续地、或周期性地、或一次性地实现。

该方法能够在陀螺仪的使用寿命期间来实现，以此重校准陀螺仪。

重校准步骤优选地发生在陀螺仪的正常工作过程中。

重校准步骤能够在对陀螺仪的环境温度的变化进行检测之后来完成。

附图说明

通过使用以下说明和附图来更好地理解本发明，在附图中：

图1为本发明能够应用的电容式检测陀螺仪的结构的一个示例的俯视图，该陀螺仪为Z型陀螺仪；

图2A为本发明能够应用的电容式检测陀螺仪的结构的另一示例的俯视图，该陀螺仪为X/Y型陀螺仪；

图2B为图2A的结构的局部侧视图；

图3为本发明所应用的振荡圆盘型的电容式检测陀螺仪的结构的另一示例的俯视图，该陀螺仪为XY型陀螺仪；

图4为本发明所应用的压阻式检测陀螺仪的结构的另一示例的俯视图，该陀螺仪为X/Y型陀螺仪；

图5为本发明所应用的压阻式检测陀螺仪的结构的另一示例的俯视图，该陀螺仪为Z型陀螺仪；

图6示出了依照根据应用于电容式检测陀螺仪的本发明的校准方法的校准参数的测量图；

图7示出了依照根据应用于压阻式检测陀螺仪的本发明的校准方法的校准参数的测量图；

图8以图形示出了由Xcos仿真获得的放大因数A随着以秒为单位的时间的变化；

图9以图形示出了通过仿真重构的相位偏置和在检测质量块上测量的相位偏置Bi之间的差随着以秒为时间的变化。

具体实施方式

本发明涉及对任何陀螺仪的校准和重校准，该陀螺仪包括至少一个激励质量块和至少一个检测质量块。在此对本发明所应用的陀螺仪结构的数个示例进行说明，但是数个示例并不是限制性的，并且本发明应用于具有至少一个激励质量块和至少一个检测质量块的任何其他陀螺仪结构，激励质量块具有沿激励轴线运动的自由度。此外，如下所述的陀螺仪并不超出本发明的范围：其包括被连接在一起并机械耦合的多个激励质量块，且每个激励质量块的自由度彼此不同且每个激励质量块与一检测质量块关联。

“轴线”(axis)或“方向”(direction)被没有区别地用于指质量块的运动方向。

对于全部附图，轴线的限定应当如下：轴线X和Y位于页面平面内，轴线X在结构的表示的水平方向上，且轴线Y在附图的表示的垂直方向上。轴线Z与轴线X和Y垂直并且与页面的平面垂直。

图1示出了使用电容式检测的Z型陀螺仪结构S1。

结构S1包括激励质量块ME和检测质量块MD，激励质量块形成一框架，该框架借助于弹簧类型的悬挂装置4悬挂在衬底2上，检测质量块设置在激励质量块ME的框架内并且借助于弹簧类型的悬挂装置6悬挂在激励质量块的框架上。悬挂的激励质量块形成激励振荡器，且悬挂的检测质量块形成检测振荡器3。

激励质量块的悬挂装置4允许激励质量块在由激励装置8施加的激励信号的作用下在轴线X方向上运动。例如，激励装置通常包括静电驱动电极，该静电驱动电极采用位于结构的外边缘处按照轴线X的方向的相互交叉梳状结构的形式。梳包括固定电极(与施加了可变静电电势的衬底2成为一体)和移动电极(与激励质量块成为一体)。固定电极和移动电极之间因此出现静电力。

围绕检测质量块的悬挂装置6允许检测质量块在由围绕轴线Z的旋转生成的科里奥利力的作用下按照检测方向Y平移运动。电容类型的第一检测装置10被提供用于对检测质量块MD的运动进行检测。在所示示例中，第一检测装置10由两对相互交叉电极梳12形成，每对中的一个梳由检测质量块MD实现，且每对中的一个梳由衬底2实现。有利地，在所示示例中，两对梳的实现可以使结构对称，但是该结构不是限制性的。检测质量块MD通过测量每对梳的各对电极12之间的电容变化，可以确定检测质量块MD沿轴线Y的运动。第一电容式检测装置提供的信号被称为C1+ΔC1。

此外，结构包括检测激励质量块ME沿轴线Y的运动的装置，该运动主要是由偏置引起的。科里奥利力对该运动的作用很小。

第二检测装置14的结构与第一检测装置相似，第二检测装置包括两对相互交叉梳，每一对中的一个梳由激励质量块携带且每一对中的一个梳由衬底携带。第二电容式检测装置提供的信号被称为C1'+ΔC1'。

应当理解，该结构使得激励质量块理想地在激励方向上运动，但是正如在上文中所述的，由于在陀螺仪的制造过程中的技术缺陷，激励质量块的运动具有在激励方向上的主分量和在检测方向上的次要分量。

根据本发明，还打算测量该分量并且使用该分量以确定校准和重校准参数。

图2A和2B示出了使用X/Y型电容式检测的陀螺仪的结构S2的另一示例。

在该示例中，激励装置将激励信号沿X方向施加到激励质量块ME上。激励装置例如为如上文中关于结构S1所述的静电类型。

相对于激励质量块ME的检测质量块的悬挂装置106使得悬挂装置允许检测质量块在由围绕轴线Y的旋转生成的科里奥利力的作用下沿轴线Z平移。

第一检测装置110为电容类型并且由一对电极形成，该对电极中的一个由衬底2携带并且另一个由检测质量块MD形成，该另一个电极正对着由衬底携带的电极。

第二检测装置114为电容类型并且由两对电极形成。每对电极中的一个电极由衬底2携带且每对电极中的另一电极由激励质量块ME形成，该另一电极正对着由衬底携带的电极。由激励质量块ME携带的电极沿轴线Y设置在检测质量块MD的两侧。两个电极114被电连接。有利地，选择该设置以使结构对称。该设置不是限定性的。

在图2B中，箭头F代表质量块在检测方向上的运动。

图3示出了使用XY型电容式检测的陀螺仪的结构S3的另一示例。结构S3为振荡圆盘类型。

在该示例中，激励质量块ME采用圆盘的形式，该圆盘借助于悬挂装置204将圆盘的中央部分悬挂在衬底上。

结构包括激励装置，激励装置通常包含静电驱动电极，该静电驱动电极例如为相互交叉电极类型。静电驱动电极例如位于检测质量块的外边缘，以此在圆盘上施加切向力。激励装置将激励质量块设定为围绕轴线Z运动。

该结构还包括四个检测质量块MD1、MD2，检测质量块被扭力梁类型的悬挂装置悬挂在圆盘上。四个检测质量块中的两个检测质量块MD1能够围绕轴线Y旋转，且另外两个检测质量块MD2能够围绕轴线X旋转。

第一检测装置210由一对电极形成，该对电极与各个检测质量块MD1、MD2关联，电极中的一个由质量块形成且另一个在正对的衬底2上。

第二检测装置214包括四对电极，该四对电极沿直径两两相对。每对电极包括在激励质量块上的一个电极和在衬底上的一个电极。在所示示例中，第二检测装置的每对电极与第一检测装置的一对电极沿圆盘的半径对齐。该设置是有利的。沿轴线X的两个电极214与沿轴线X的质量块MD1的两个检测电极210关联，并且允许获得与轴线X的旋转相关联的科里奥利力以及偏置的测量值。质量块MD1被沿轴线Y激励，并且围绕轴线X的旋转沿轴线Z驱动科里奥利力，电极210和214检测到沿轴线Z的运动。

类似地，沿轴线Y的电极允许测量与围绕轴线Y的旋转相关联的科里奥利力和偏置。质量块MD2被沿轴线X激励，并且围绕轴线Y的旋转驱动沿轴线Z的科里奥利力，电极210和214检测到沿轴线Z的运动。

图4和5示出了采用压阻检测的陀螺仪的结构的示例。

图4中是适于X/Y检测的陀螺仪的结构S4。

图4中是采用Y检测的陀螺仪。

结构S4包括由梁316连接的两个质量块ME1、ME2。激励装置能够沿轴线X对激励质量块ME1、ME2进行激励，质量块ME1和ME2以相反相位被驱动。

结构S4包括两个检测质量块MD1、MD2，各个检测质量块被悬挂在激励质量块ME的一部分ME1、ME2上。两个检测质量块MD1、MD2由梁318连接。

梁316、318被扭力形变梁319、321铰接到衬底2上，从放大图中可以看到，扭力形变梁319、321均限定了梁的旋转轴线。该旋转轴线在Y方向上。附图标记320和322表示分别形成激励质量块和检测质量块的检测装置314、310的压阻式测量仪表。

检测运动沿轴线Z进行，但是质量块MD1和MD2之间的相位相反，该摇摆运动驱动梁316和318围绕轴线Y旋转。

在该附图中，由于仪表320、322位于与梁320、321分别限定的扭轴线的平面不同的平面内，分别附加仪表320和322的梁316和318的旋转在仪表320、322上引入张力/压力。测量装置314与对激励质量块ME1、ME2沿检测轴线Z的运动的测量相关联，且测量装置310与对检测质量块MD1、MD2沿检测轴线Z的运动的测量相关联。

由第一压阻式检测装置提供的信号表示为R1+ΔR1，并且由第二压阻式检测装置提供的信号表示为R1'+ΔR1'。

图5中是采用Z检测的陀螺仪的结构S5，该结构包括两个沿轴线X或Y激励的激励质量块ME1、ME2。两个激励质量块ME1、ME2由梁416连接，该梁被铰接在衬底上围绕轴线Z旋转。在所示示例中，梁416的悬挂装置由轴线Z上的两个并行梁420形成。第二检测装置414由旋转装置420的两侧的两个压阻式仪表形成。两个仪表提供了差分测量。

结构S5包括由梁418连接的两个检测质量块MD1、MD2，该梁被铰接在衬底上围绕轴线Z旋转。在所示示例中，梁418的悬挂装置由轴线Z上的两个并行梁422形成。第一检测装置410由旋转装置422的两侧的两个压阻式仪表424形成。两个仪表提供了差分测量。

根据另一变型，检测装置能够是磁类型的。

激励质量块ME1和ME2被设定为在围绕Z旋转的作用下沿X运动，两个检测质量块MD1、MD2以相反相位沿轴线Y运动并且按照围绕轴线Z的旋转运动来驱动梁418。

优选地，第一和第二检测装置是相同类型的，但是应当理解，这并不是必须的，并且对检测质量块的运动的检测是电容式或压阻式的结构能够分别包括激励质量块的运动的压阻式或电容式检测。

根据本发明的陀螺仪还包括处理来自检测质量块的检测信号的处理装置，以便使用科里奥利力来确定陀螺仪所承受的转速并且提供所述陀螺仪的至少一个校准参数。

确定陀螺仪所承受的转速的确定装置是本领域的技术人员所公知的并不再赘述。在此对为了确定允许陀螺仪的校准和/或重校准的至少一个参数的处理装置以及所实现的方法进行详细说明。

根据本发明的陀螺仪结构传递两个信号，一个信号表示检测质量块在检测方向上的运动，且一个信号表示激励质量块在检测方向上的位移。

在分别针对采用电容式检测的陀螺仪的结构和采用压阻式检测的陀螺仪的结构的图6和7中概括示出了这些信号的处理装置。

在所示示例中，处理装置对两个检测信号应用以下步骤：

放大检测信号步骤；

可能的解调步骤，实际上在一般情况下，使用频率为f_e＝ω_e/2π>>f₀的读取电压来调制检测信号。因而将信号解调并滤波，从而使信号达到方程式(1)的频率f₀＝ω₀/2π，

信号解调滤波步骤，以便使用最后的滤波器限定的带宽来获得检测质量块的转速。

对于放大步骤，在电容式检测的情况下，该放大步骤是将电容变化变换为电压变化的步骤，使用电容读取级，电容读取级例如为C2V(电容-电压转换器)级。在此情况下，可变电容器的电极被连接到线性放大器的一输入端上，该输入端经由并联的电容器Ci和电阻器Ri被连接到放大器的输出端上。

放大器的另一输入端被接地。如果电压V₀cos(ω_et)被施加到可变电容器的另一侧上，并且如果ω_e>>1/(RiCi)，那么C2V级的输出电压为–V₀*ΔC/Ci。

在压阻式检测的情况下，使用压阻式读取级。压阻式仪表有利地被设置在惠斯通桥(Wheatstonebridge)配置中。这则需要读取电压变化，对电压变化的读取能够通过使用差分线性放大器或者一组具有差分输入端的放大器来完成。尤其是，能够使用一组三个线性放大器以构成被称为仪器的放大器，该仪器能够具有非常低的读取噪声。

举例来说，能够使用Analog所售的AD8428型仪器放大器。

优选地，关于激励质量块的悬挂装置，选择沿检测轴线的刚性远大于在激励方向上的刚性的激励质量块的悬挂装置，从而限制科里奥利力的作用相对于正交偏置的作用。

实际上，科里奥利力被施加到激励质量块上。如果该科里奥利力F_Ω与偏置引起的等效力F_Bq相比较，则得到：

$\frac{F_{\mathrm{\Ω}}}{F_{Bq}}=\frac{2m_1{\mathrm{\ω}}_{0}X\mathrm{\Ω}}{{\mathrm{\αk}}_{y1}X}=\frac{2m_1{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\Ω}}{2\frac{B_q}{{\mathrm{\ω}}_0}{k}_{y1}}=\frac{\mathrm{\Ω}}{B_q}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{{\mathrm{\ω}}_{0y1}}\right)}^2=\frac{\mathrm{\Ω}}{B_q}\frac{k_{x1}}{k_{y1}}\frac{m_1}{m_1+m_2}$

k_y1和k_x1分别是激励质量块的悬挂装置在检测方向和激励方向上的弹簧常数。

通过将激励质量块的悬挂装置选择为k_y1>>k_x1，由于科里奥利力造成的干扰最多比正交偏置的作用小2或3个数量级。例如，k_y1/k_x1大于100。

在所示示例中，在陀螺仪采用电容式检测的情况下，处理装置包括将电容变化变换为电压变化的装置I，可能存在的对信号解调和滤波以将信号变换到频率f₀＝ω₀/2π的装置II以及解调滤波以使用装置III的滤波器限定的带宽获得检测质量块MD的转速的装置III。

在所示示例中，在陀螺仪采用压阻式检测的情况下，处理装置包括形成上文中所述的仪器放大器的装置I'，可能存在的对信号解调和滤波以将信号变换到频率f₀＝ω₀/2π的装置II'，以及解调滤波以使用装置III'的滤波器限定的带宽获得检测质量块的转速的装置III'。

处理装置因此由以下方式传递：

基于检测质量块MD的检测信号来传递处理后的信号I和Q，以使得Q～Bq(正交偏置)且I～Bi+Ω(相位偏置与转速之和)。

基于激励质量块的检测信号来传递处理后的信号I'和Q'，以使得Q'～Bq/A(正交偏置Bq与放大因数A的比率)且I'～Bi/A(相位偏置与放大因数A的比率)。

随后通过计算比率Q/Q'来确定放大因数。

由此，任何时候也能够通过计算I'×Q/Q'而导出相位偏置Bi。

如此，得益于本发明，任何时候都能够使用关系(I)、相位偏置Bi和正交偏置Bq来获得放大因数A。

随着放大因数A的得知，可以确定结构的灵敏度。实际上，调频工作模式下的灵敏度由以下关系给出：

$\frac{Y_{\mathrm{\Ω}}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{2XA}{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}$

在非调频工作模式下，灵敏度由以下关系给出：

$\frac{Y_{\mathrm{\Ω}}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{2X}{{\mathrm{\ω}}_{0exc}}A\×{(1-\frac{1}{2A})}^2$

通过使用这些参数可以简单实现陀螺仪的校准而不需要依赖复杂的旋转表。

此外，重校准陀螺仪的步骤能够以简化方式进行。例如，重校准步骤能够在陀螺仪所处的环境的温度大幅变化的时候被启动。实际上，所获得的参数是在陀螺仪的工作温度下获得的。如此，如果检测到温度的变化，那么能够启动重校准陀螺仪的步骤。

优选地，重校准步骤使得重校准为周期性的，并且还优选地使得重校准为连续性的。

在此对测量值的解调之后的信号处理的仿真进行说明，解调由Xcos软件来完成。

仿真参数如下：

谐振激励频率：20kHz；

谐振检测频率：21kHz；

检测中的品质因数：Qs＝10000；

检测谐振器的放大倍数A：10.756；

测量的白噪声：0.01°/s/√Hz；

解调器的相位误差：Φ_err＝1°；

解调器的相位噪声：Φ_noise＝10^-5rad/√Hz；

正交偏置信号：1000°/s；

相位偏置信号：-100°/s；

检测质量块上测量的信号的带宽：100Hz；

激励质量块上测量的信号的带宽：1Hz。

由于滤波器为1Hz，所以该仿真覆盖了10s的时长，在2s处开始对数据进行处理。

Ω被认为是0，如此检测质量块上的测量值I直接给出在检测质量块上测量的相位偏置Bi。

图8示出了放大因数A按照比率Q/Q'获得的时间的变化。平均而言，A等于10.755，其理论值为10.756，分辨率为0.003。

通过使用该放大因数和测量值I'，相位偏置能够被重构并且相位偏置的值能够被估计。在当前情况下，获得的重构的相位偏置为-117.45°/s，而不是在检测质量块MD上测量到的118.46°/s，该相位偏置如上文所述由检测质量块MD上的信号I给出。

因此获得的相位偏置平均为1°/s且分辨率为0.29°/s，而检测质量块上检测到的信号的分辨率为0.24°/s。图9示出了重构的偏置(等于)和测量的偏置(等于I)之间的差随着时间的变化。

该1°/s的差是由检测谐振器引入的移位引起的。

考虑到解调误差，比率Q/Q’的值为：

已知在一般情况下，Bi<Bq；并且在代表真实情况的本文的情况下，比率Q/Q'给出了具有良好精确度的系数A的估值。

考虑到解调误差，获得重构的相位偏置和测量的相位偏置之间的差：

由电子器件引入的相位误差则因此可能被解决，但是由检测振荡器引入的相位误差无法被解决。

由检测振荡器引入的误差很小，但是无法精确得知且能够随温度变化。

实验结果使得可以评估温度系数为大约600ppm/K，这对移位随温度的的依赖性进行量化。该系数因而比正交偏置Bq的温度系数高1个数量级。

这导致了剩余偏置的偏差0.6m°/s/K，这与现有技术中的陀螺仪的剩余偏置相比极低。实际上，对于2000°/s的满量程和40m°/s/K的偏置偏差，现有技术中的陀螺仪的偏置在+75°/s和-75°/s之间。

有利地，用于对激励质量块的信号滤波的滤波器的频率被选择为低于用于对检测质量块的信号滤波的滤波器的频率，这使得在检测质量块的信号的处理和激励质量块的信号的处理之间获得可比的测量精度。实际上，如果认为所需要的来自激励质量块上的测量值的数据流相对较小，可使用频率低于用于对检测质量块上的信号滤波的滤波器的频率的滤波器，来对激励质量块上的测量值滤波。

例如，对于20kHz的激励频率和1kHz的标称频率偏置，放大因数大约为10，并因而激励质量块上的测量值的噪声是检测质量块上的噪声的10倍。如果检测质量块的测量值的带宽为100Hz，则利用1Hz滤波器可获得相同的激励质量块的测量值的分辨率。

在一个有利变型中，能够在对来自激励质量块的信号进行解调之前提供移相器，从而重现检测振荡器的移位。例如，将选择相当于由检测振荡器引入的移位的平均数的相位值。每个陀螺仪的重构的偏置则更接近于零值。

本发明使得可以简化甚至避免校准陀螺仪，并且实时得出陀螺仪的灵敏度和/或偏置的变化。实际上，得益于本发明，不再需要使用表。

本发明还使得可以简化重校准步骤，这是因为本发明不需要使用其他传感器或者设备的静止状态。实际上，在陀螺仪的正常工作中，任何时候都能够确定偏置和灵敏度。此外，本发明允许监视这些参数，并因而跟踪陀螺仪的工作条件的连续变化。

例如，在面向公众的需要得知仅在几个百分点内的灵敏度的产品的情况下，经由旋转表进行校准不是必须的。仅利用本发明即可获得校准并且该校准被连续或周期性地应用于传感器。在电容式检测的情况下，空气间隙的值的不确定性导致的灵敏度的不确定性较低，或者在压阻式检测的框架中，压阻式仪表的尺寸具有低不确定性。另一方面，如果想要准确得知灵敏度，具有单一确定温度的旋转表的校准足矣，参数的变化则由根据本发明的处理装置跟踪。

本发明能够被应用于具有沿激励模式的自由度的激励质量块的任何架构，例如应用于如图3中所示的振荡圆盘类型的陀螺仪。

本发明尤其有益于激励和检测频率并未被调谐的陀螺仪，这是因为与调谐频率情况下的1000至100000相比较，放大因数进一步被降低为1至100。

Claims (24)

1.一种陀螺仪，包括：

至少一个激励振荡器，包括悬挂在衬底(2)上的至少一个激励质量块(ME)，所述激励质量块具有单个激励运动方向；

至少一个检测振荡器，包括悬挂在所述激励质量块上的至少一个检测质量块(MD)，所述检测质量块能够沿所述激励方向并且沿与所述激励方向垂直的检测方向运动；

激励装置，用于在所述激励运动方向上激励所述激励质量块(ME)；

第一检测装置(10)，用于对所述检测质量块(MD)沿所述检测方向的运动进行检测并提供第一检测信号，

所述陀螺仪进一步包括：

第二检测装置(14)，用于对所述激励质量块(ME)沿所述检测方向的运动进行检测并提供第二检测信号；以及

处理装置，用于处理所述第一检测信号和所述第二检测信号，以便确定所述陀螺仪承受的转速并提供所述陀螺仪的至少一个校准参数。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中，所述陀螺仪的所述至少一个校准参数是放大系数，所述放大系数对所述陀螺仪的灵敏度和/或所述陀螺仪的偏置进行表征。

3.根据权利要求1或2所述的陀螺仪，其中，所述第一检测信号和所述第二检测信号的所述处理装置使用所述第一检测信号来确定正交偏置、相位偏置与转速之和，使用所述第二检测信号来确定所述相位偏置与放大系数的比率、所述正交偏置与所述放大系数的比率，并且使所述正交偏置除以所述正交偏置与所述放大系数的比率来确定所述放大系数。

4.根据权利要求3所述的陀螺仪，其中，所述第一检测信号和所述第二检测信号的所述处理装置将所述相位偏置与所述放大系数的比率乘以由所述除法确定的所述放大系数。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的陀螺仪，其中，所述处理装置包括被用于放大所述第一检测信号和所述第二检测信号的放大装置(I、I')以及能够对放大信号进行解调的第一装置(III、III')。

6.根据权利要求5所述的陀螺仪，其中，所述处理装置进一步包括第二装置(II、II')，所述第二装置被用于在所述第一解调装置(III、III')之前解调所述放大信号，并用于对信号滤波，从而将解调信号变换到所述陀螺仪的驱动频率。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的陀螺仪，其中，所述第一检测装置和所述第二检测装置(14)是电容类型的。

8.根据权利要求5或6与权利要求7的结合所述的陀螺仪，其中，用于放大测量信号的所述放大装置(I)包括放大器，所述放大器与至少一个电容器并联安装。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的陀螺仪，其中，所述第一检测装置和所述第二检测装置是压阻类型的。

10.根据权利要求5或6与权利要求9的结合所述的陀螺仪，其中，测量信号的所述放大装置(I')包括一个或多个具有差分输入端的放大器。

11.根据权利要求1至10中任一项与权利要求5的结合所述的陀螺仪，其中，能够解调所述放大信号的所述第一装置(III、III')包括所述第二检测信号的滤波器和所述第一检测信号的滤波器，所述第二信号的滤波器的通带比所述第一检测信号的滤波器的通带小，以此所述第一检测信号和所述第二检测信号具有接近或相同的分辨率。

12.根据权利要求1-11中任一项与权利要求5的结合所述的陀螺仪，包括所述第二检测信号的移位装置，在使用所述第一解调装置(III、III')对所述第二检测信号解调之前使用所述移位装置应用该移位，以此重现所述检测振荡器的移位。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的陀螺仪，具有未调谐的激励频率和检测频率。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的陀螺仪，其中，所述激励质量块(Me)被弹簧类型的悬挂装置悬挂在所述衬底(2)上，所述悬挂装置具有沿所述检测方向的第一弹簧常数(k_y1)以及沿所述激励方向的第二弹簧常数(k_x1)，所述第一弹簧常数(k_y1)远大于所述第二弹簧常数(k_x1)。

15.根据权利要求14所述的陀螺仪，其中，所述第一弹簧常数(k_y1)与所述第二弹簧常数(k_x1)的比率大于100。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的陀螺仪，包括位于所述放大装置上游的连接装置，从而周期性地确定所述陀螺仪的所述至少一个校准参数。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的陀螺仪，包括多个耦合激励质量块，所述多个耦合激励质量块能够在不同方向上运动。

18.一种陀螺仪的校准方法，所述陀螺仪包括至少一个激励振荡器，所述激励振荡器包括至少一个激励质量块(ME)和至少一个检测质量块(MD)，所述激励质量块具有单个激励运动方向，所述检测质量块能够沿激励方向并沿检测方向运动，所述方法包括以下步骤：

a)测量所述检测质量块(MD)在所述检测方向上的运动，形成第一检测信号；

b)测量所述激励质量块(ME)沿所述检测方向的运动，形成第二检测信号；

c)处理所述第一检测信号和所述第二检测信号，以便确定所述陀螺仪承受的转速并提供所述陀螺仪的至少一个校准参数；

d)基于该参数来校准所述陀螺仪。

19.根据权利要求18所述的校准方法，其中，所述处理所述第一检测信号和所述第二检测信号的步骤c)包括：

处理所述第一检测信号，以便获得正交偏置(Bq)、相位偏置与转速之和(Bi+Ω)；

处理所述第二检测信号，以便获得所述相位偏置与放大系数的比率(Bi/A)、所述正交偏置与所述放大系数的比率(Bq/A)；

通过使所述正交偏置除以所述正交偏置与所述放大系数的比率来确定所述放大系数。

20.根据权利要求18或19所述的校准方法，其中，步骤a)包括以下子步骤：

a1)对所述第一检测信号放大并滤波；

a2)解调第一放大信号；以及

步骤b)包括以下子步骤：

b1)对所述第二检测信号放大并滤波；

b2)解调第二放大信号。

21.根据权利要求20所述的校准方法，包括介于步骤a1)和a2)之间以及步骤b1)和b2)之间的解调滤波步骤，以便将所述第一放大信号和所述第二放大信号变换到驱动频率。

22.根据权利要求20或21所述的校准方法，其中，在电容式检测信号的情况下，步骤a2)和b2)由电容式读取级来完成。

23.根据权利要求20或21所述的校准方法，其中，在压电式检测信号的情况下，步骤a2)和b2)由一个或多个具有差分输入端的放大器来完成。

24.根据权利要求18-23中任一项所述的校准方法，所述方法依照所述陀螺仪的环境变化被连续地或周期性地或选择性地实现。