CN105378430A - 改进的振动式陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

一种改进的传感器件，其包括微机械陀螺仪和具有用于生成阻尼控制信号的控制器(87)的反馈回路。频率发生器(84)生成用于驱动模式振动的驱动信号和相对于驱动模式振动处于正交相位的基准信号(892)。对正交基准信号(892)和控制器的阻尼控制信号进行求和。作为结果的换能器控制信号被提供至第二机械谐振器(83)。因此，在检测科里奥利信号之前，已经在感测元件级实现了实际机械正交运动的稳定抵消。

Description

改进的振动式陀螺仪
技术领域
本发明涉及微机电器件，并且具体地涉及如在独立权利要求的前序部分中限定的传感器件和用于感测角速度的方法。
背景技术
微机电系统或MEMS可被定义为其中至少某些元件具备某些机械功能的小型机械化和机电系统。由于MEMS器件是使用与用于制造集成电路的工具相同的工具制造的，因此可在同一硅片上制作微型机械和微型电子器件，从而使得机械具有智能化。
MEMS结构可用于快速地并且精确地检测物理属性中非常小的变化。例如，微机电陀螺仪可用于快速地并且精确地检测非常小的角位移。运动具有六个自由度：三个正交方向中的平移和围绕三个正交轴的转动。后三个自由度可通过角速率传感器(也被称为陀螺仪)测量。MEMS陀螺仪利用科里奥利效应(CoriolisEffect)测量角速率。在质量块沿着一个方向移动，并且施加有转动角速率时，由于科里奥利力，质量块在正交方向上受力。由科里奥利力造成的物理位移可接着从电容或压阻传感结构中读取。
在MEMS陀螺仪中，由于缺乏充足的支撑，主运动(primarymotion)不能如常规般连续转动。反而可将机械振荡用作主运动。在振荡陀螺仪进行与主运动的方向正交的角运动时，生成波状科里奥利力。这样，以主振荡的频率产生了与主运动和角运动的轴线正交的次级振荡。该耦合振荡的振幅可用作角速率的测量。
MEMS陀螺仪中的难题与感测模式响应振幅的量级非常小的事实有关。在实践中，制造缺陷造成陀螺仪结构中不理想的几何结构，并且导致驱动振荡与感测模式部分地耦合。理解了驱动和感测模式的相对量级，即使最小的不希望的与主振动的耦合也可超出感测到的科里奥利响应(Coriolisresponse)。但是，科里奥利力与质量块的驱动速度成比例，并且耦合力与质量块的位置成比例，因此，在科里奥利响应和机械力之间总会存在π/2相位差。因此，在以驱动频率进行振幅解调期间，正交信号可相对容易地从科里奥利信号中分离出来。但是，现有构造倾向于增加传感器件构造的尺寸和复杂度。正交信号的大的相对量级的进一步含义是有关温度和时间的正交稳定性很重要。如果混合在速率信号中的正交信号的部分明显不同，那么陀螺仪的稳定性将劣化。
发明内容
本发明的目的在于：在检测科里奥利信号之前，已经在感测元件级能够稳定地抵消实际机械正交运动。本发明的目的通过根据独立权利要求的特征部分的传感器件和方法实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。
本发明是基于将为抵消正交信号而生成的信号加算到对共振效应进行阻尼的闭合反馈回路的控制信号。本发明的其他优点将参考本发明的实施例进行详细论述。
附图说明
下面，将参考附图并结合优选实施例对本发明进行更详细的说明，其中：
图1示出了2自由度(DoF)的机械谐振器的图；
图2示出了示例性的微机械陀螺仪的构造；
图3示出了示例性的微机电传感器件的构造；
图4示出了用于说明微机械传感器件的实施例的框图；
图5示出了适用于将位移转换成电信号的质量弹簧系统的简化示例；
图6示出了适用于将位移转换成电信号的质量弹簧系统的另一简化示例；
图7示出了用于说明示例性的第二机械谐振器的功能构造的框图；
图8示出了改进的微机械传感器件构造的框图；
图9示出了微机械传感器件的另一构造的框图；
图10示出了微机械传感器件的另一构造的框图。
具体实施方式
下面的实施例是示例性的。尽管说明书中可能称作“一”、“一个”或“某些”实施例，但是这并不是一定意味着各种这样的称谓指代相同的实施例，或者特征仅适用于单个实施例。不同实施例的单个特征可进行结合以提供其他实施例。
在下文中，将使用可实施本发明的各种实施例的器件架构的简单示例来对本发明的特征进行说明。仅仅对与说明各种实施例有关的各个元件进行详细描述。在这里可不对本领域的技术人员周知的传感器件和方法的各种应用方式进行具体说明。
为了建立起所应用的概念和术语，图1示出了如现有技术(例如，MikkoSaukoski的“SystemandcircuitdesignforacapacitiveMEMSgyroscope”)中所描述的现有技术的2自由度(DoF)机械谐振器的图。图1的2-DoF结构包括两个1-DoF谐振器，一个由质量块10、沿x轴方向的弹簧kxx以及阻尼器Dxx构成，另一个由质量块10、沿y轴方向的弹簧kyy以及阻尼器Dyy构成。在角速度微机械传感器中，x方向谐振器可被称为主谐振器或驱动谐振器。通常地，x方向谐振器被处于其谐振频率(被称为操作频率)的外力激励。y方向谐振器可被称为次级谐振器或感测谐振器。在施加关于z轴的角速度时，可在次级谐振器中检测到相对应的科里奥利力。在图1的功能图中，主谐振器和次级谐振器的质量块是相同的。主谐振器和次级谐振器的质量块也可根据构造而不同。
图2示出了另一示例性微机械陀螺仪的构造，该陀螺仪包括质量块20，该质量块20通过弹簧23、24沿y轴方向支撑在激励框21处。所述激励框21通过弹簧25、26沿x轴方向进一步支撑在支撑结构22处。在所示的陀螺仪中，通过弹簧25、26的作用，位于中间位置的质量块20以及围绕质量块20的激励框21可被激励为进行沿x轴方向的振动主运动。借助于从质量块20到激励框21的悬挂弹簧23、24而沿y轴方向形成的检测轴与所述主运动垂直。
当在主运动中振动的结构相对于与xy平面的表面垂直的Z轴转动时，主运动中的质量块20经受沿y轴方向的科里奥利力。检测弹簧23、24不仅限定阻尼，进一步限定诱导的检测运动的振动的振幅和相位。
图3示出了示例性的现有技术的微机电传感器件30的构造。该器件包括微机械陀螺仪31，微机械陀螺仪31包括第一机械谐振器32和第二机械谐振器33，其中，第一机械谐振器32用于驱动模式振动(主运动)，第二机械谐振器33与第一机械谐振器32耦接以沿与驱动模式振动的方向垂直的方向产生相关的感测模式振动(次级运动)。例如可以使用用于生成振荡电信号的主振荡电路34和用于将输入至第一机械谐振器32的电压模式转换为主谐振器中的静电驱动力的换能器(未示出)来实现和控制驱动模式振动。有利地是，驱动模式振动被调节成以主谐振器32的谐振频率发生。
第一机械谐振器32和第二机械谐振器33的模式之间的耦合造成第二机械谐振器33中的感测模式振动。第二机械谐振器33的振动可通过换能器(未示出)转换成电信号。从次级谐振器中输出的电信号与感测模式振动相对应，并且这些电信号可通过放大器35放大。图3的示例性的微机械传感器件的构造应用同步检测，从而来自主振荡电路和放大器的电信号输入到用于生成传感器件的输出的同步检测器36中。在转动力作用于微机械传感器件时，陀螺仪的驱动模式振动经由科里奥利力与感测模式振动耦合，并且从第二机械谐振器中接收的电信号与科里奥利力相对应，并因此也与器件的角速度相对应。
图4示出了敏感度得到提高的微机械传感器件结构的框图。使用相对应的附图标记来标记与图3相关的已经进行说明的元件。对于本领域的技术人员清楚的是，可在不偏离保护范围的情况下也可以采用其他构造以检测和处理所生成的信号。包括图3的构造在内，图4的微机械传感器件还包括与第二机械谐振器连接的反馈回路，并且所述反馈回路被调节用于阻尼第二谐振器的感测模式振动。从反馈回路输出的信号S2也是输入至检测器的感测信号。为进行阻尼，反馈回路包括换能器元件(在第二谐振器内部，未示出)和控制元件47。反馈回路还可包括反馈放大器48以将反馈信号放大至适当大小。
这里所指的换能器是用于将一种能量形式转换为另一种形式的器件。例如，传感器是用于检测物理属性并将其转换成可测量信号的器件或系统。通常地，物理属性表现为一种能量形式，并且在传感器中通过换能器件被转换为另一种能量形式。物理属性和用于检测能量形式的装置可根据应用而不同。在一种类型的传感器中，代表被检测到的物理属性的特征可包括相对于惯性参考框架的参考点的位移的检测。该位移可被检测为例如悬挂的检验质量块(proofmass)的位移，或施加至与用于承载该检验质量块的弹性悬架连接的换能器元件上的压力或拉力。所检测到的运动、压力或拉力可用于调制电信号，从而使得物理属性可被非常精确地测量。作为另一示例，在致动器中，换能器可用于将电磁能转换为某种形式的运动、压力或拉力。
本实施例中的换能器可使用质量弹簧系统建模，其中，质量块悬挂在连接至主体的弹簧上，于是施加至质量块的力或主体的加速度造成质量块的按比例的位移。可通过电路来检测质量块的移动并将该移动转换成可测量的电信号。在主体静止并且没有净力作用在质量块上时，质量弹簧系统处于平衡状态。如果系统偏离平衡，那么弹簧将在质量块上产生净恢复力，并试图恢复系统平衡。但是，在向平衡位置移动的过程中，该质量块需要能够保持其移动超过该位置的动量，该动量相反地建立新的恢复力。因此，质量块开始在平衡状态周围振荡。质量块被偏置，并且其相对于静电极的移动接着被转换为电信号。因此，质量块的谐振荡转换成用于表示主体相对于惯性参考框架的移动的交流电信号。
图5示出了适用于将位移转换成电信号的质量弹簧系统的简化示例。现在使用1-DoF系统表示第二谐振器，1-DoF系统可具有检验质量块50和与主谐振器(未示出)连接的弹簧元件51。该系统可具有一个以上静态电极53和一个以上与检验质量块50的运动连接的可移动电极54。用于测量图5中的位移的换能器基于电容效应，其中，在电极53和54之间的距离发生变化时，它们之间的电容发生变化。该电容的变化可用于调制从换能器中输出的电信号。图6示出了另一类型的电容换能器，使用相同的附图标记标识图5和图6中相对应的元件。在图6的换能器中，电信号的调制与电极63和64的重叠面积的变化相对应。图5和图6中的换能器基于电容效应测量检验元件(proofelement)的位置，但是也可应用其他类型的换能器将所检测到的物理属性的示值转换为电信号。例如，换能器可指示施加在检验元件上的拉力或压力，以及类似压电效应和电磁效应的其他类型的效应。
在有源电阻尼(activeelectricaldamping)中，位移在第一换能器中生成电信号，该电信号在反馈回路中被转换成修正信号以控制针对位移所施加的机械力，以消除或至少减小所检测到的移动。图7示出了用于说明图4的示例性的第二机械谐振器43的功能构造的框图。
图7的机械谐振器包括检验质量块70，其经由弹簧元件71与第一机械谐振器(未示出)耦接。该系统具有一个以上静态TR1电极72和一个以上与检验质量块70的运动连接的可移动TR1电极73。这些电极72、73构成电容性位移测量换能器。该系统还具有一个以上静态TR2电极74和一个以上与检验质量块70的运动连接的可移动TR2电极75。这些电极74、75构成力生成静电换能器。
应当注意，图7示出了基于电容和静电效应的换能元件，本领域的技术人员清楚了解图4的换能器TR1和TR2可基于任何已知的偏置换能器原理。例如，第一换能器可用于基于电容效应、压电效应、电磁效应或压阻效应而通过运动、压力或者拉力检测位移。第二换能器可用于基于静电效应、压电效应、电磁效应、热弹效应、电致伸缩或磁致伸缩通过力、转矩、压力或拉力来引起位移。
第二机械谐振器43中的检验质量块的位移可使用R2的TR1电极(参见图7中的72,73)进行电测量，并且被转换成电信号。该电信号可被预放大器45放大，并且放大信号S1经由控制器47被反馈至力换能器TR2。R2的TR2电极(参见图7中的74,75)将向质量块施加力。因此所施加的力与第二电信号S2相对应。S2以相对于所检测的位移S1的相位被反馈至TR2，从而使得检验质量块的移动被所施加的力减少。
为了获得合适的传递函数，通过反馈回路有效地降低元件Q值是必要的。通常，通过增加反馈回路中的信号S2的放大系数来获得更大的阻尼，即增加包括来自环路中的任何放大器、控制器、换能器、机械谐振器的频率响应和谐振器弹簧元件的弹簧系数的贡献的所谓的环路增益。但是，当采用这种方式时，必须注意在所有条件下保持闭环传递函数稳定。利用传统的控制器，当试图获取更高的放大值时，实际系统很容易地以远高于谐振器的基本谐振频率的频率开始振荡。
例如，利用如下构造可获得强阻尼，即获得在闭环Q值级中工作的元件的被足够降低的机械运动，在该构造中，用于控制针对所检测的运动的反馈力的控制器47是信号处理滤波器。有利的是，信号处理滤波器充当谐振器，并因此在给定的谐振频率处到达峰值。因此，用于限定值S1和S2之间的对应关系的响应函数是具有基本上与S1的谐振频率相一致的谐振频率特性的频率响应函数。在申请人的共同待决申请“Animprovedmechanicalresonator”(FI20125757)中对这类构造进行了详细说明，该申请通过引用合并于此。
如上所讨论，正交信号对传感器件的陀螺仪的零点稳定性具有主要影响。因此，期望在科里奥利信号的同步检测之前将正交信号调节至最低可能级别。图8示出了微机械传感器件构造的框图，通过该构造可使用少量额外电路元件对正交信号进行有效地管理。使用相对应的附图标记表示与图4相关的已经进行说明的元件。
在当前构造中，主频率发生器84配置成以已知方式生成用于科里奥利信号的同步检测的第一基准信号890。第一基准信号与感测到的科里奥利信号处于相同相位。除此之外，图8的主频率发生器84还用于生成被反馈至加权求和元件894的前馈正交相位补偿信号S3892。以本领域的技术人员公知的方式，通过进行振荡器或初级回路设计可使相位补偿信号S3在主频率发生器84中容易地被获取。求和元件894将S3和阻尼反馈回路的控制器87的反馈信号S2相加，并将结果反馈至反馈放大器88。现在，由求和后的反馈信号而生成的力同时抵消正交信号，并产生如控制器87所控制的阻尼，并且使用最少的额外电和/或机械元件实现了所期望的效果。在使用之前的制造过程中对传感器件的陀螺仪进行修正时，可调节求和元件894中的正交补偿信号S3的权重系数。可通过控制求和元件894将信号S2的正交成分设定为零来实现修正。
在其他实施例中，利用少量的额外电路元件也可使补偿变得动态适应。图9示出了微机械传感器件构造的框图，通过该构造可动态地管理正交信号。使用相对应的附图标记表示与图8相关的已经进行说明的元件。除此之外，当前构造还包括用于提供可调节的增益级的正交信号振幅控制器995，正交相位补偿信号992通过正交信号振幅控制器995可被反馈至求和元件994。检测单元96可包括用于同步检测同相信号990的第一同步检测器和用于同步检测正交信号992的第二同步检测器。所检测出的正交信号S4级998可被反馈至增益控制放大器995。这样，补偿信号可被调节至能够实现正交信号的适应性抵消的大小。
在电容性陀螺仪中，DC偏压可用于电容性运动检测和用于激励的静电力生成。前端放大器的输出电压符合下式：
V OUT = C S C REF V BIAS - - - ( 1 )
其中，CS为传感器电容，CREF为参考电容器，并且VBIAS为所施加的DC偏压。在常规电容性陀螺仪中，速率信号输出通常与偏压成比例。期望的是，当AD转换级具有与基准电压相同的偏压时，于是在数字信号中，消除了偏压不稳定性。
在力反馈阻尼陀螺仪中，速率输出电压与偏压成反比。此时，输出电压为：
V OUT ∝ F SIGNAL V BIAS - - - ( 2 )
在AD转换后，数字信号将与偏压的平方成反比。这为偏压的稳定设定了严格要求。
图10示出了其他微机械传感器件构造的框图，通过该构造，可以通过有效地补偿偏压的变化的方式而动态地管理正交信号。使用相对应的附图标记来表示结合图8和9已经进行说明的元件。如参考图8所述，前馈正交相位补偿信号S3892可被反馈至加权求和元件894，以与控制器87的反馈信号S2进行求和。S3可具有与R1检验质量块位置的信号相位类似的信号相位。除此之外，当前构造还包括DC偏置控制器1096，其用于对造成偏压的变化的暂时性影响或环境影响进行动态补偿。如图10所说明，所检测出的正交信号S4级可被反馈至直流偏压控制器1096，直流偏压控制器1096可用于将偏压信号S5调节至能够获得正交信号的适应性抵消的大小。该方法有效地使得输出信号的偏压依赖关系与公式(1)类似，这在使用AD转换器时是被高度期望的。
本领域的技术人员应当了解，作为技术进步，本发明的基本思想可以多种方式实施。因此，本发明及其实施例不局限于以上示例，并且它们可在要求保护的范围内进行变化。

Claims (12)

1.一种传感器件，其包括微机械陀螺仪，所述陀螺仪包括：
第一机械谐振器(82；92；102)，其用于驱动模式振动；
第二机械谐振器(83；93；103)，其与所述第一机械谐振器(82；92；102)耦接，并用于与所述传感器件的转动相对应的感测模式振动；并且所述传感器件还包括：
反馈回路，其包括用于生成反馈信号的控制器(87；97；107)和机电换能器，该换能器用于根据输入控制信号对所述第二机械谐振器(83；93；103)的感测模式振动起相反作用；
频率发生器(84；94；104)，其用于生成用于驱动模式振动的驱动信号和相对于所述驱动模式振动处于正交相位的基准信号(892；992；1092)；
求和元件(894；994；1094)，其用于对正交的所述基准信号(892；992；1092)和所述控制器(87；97；107)的输出信号进行求和，以将求和结果作为反馈信号反馈至所述第二机械谐振器(83；93；103)。
2.如权利要求1所述的传感器件，其中，所述求和元件(894)是加权求和元件。
3.如权利要求2所述的传感器件，其中，被求和的信号的权重在制造所述传感器件期间已被调节。
4.如权利要求1～3任一项所述的传感器件，其中，所述传感器件还包括检测单元(96)和正交信号振幅控制器(995)；
所述检测单元(96)配置为输入有感测信号(997)和所述基准信号(992)；
所述检测单元(96)用于从所述感测信号(997)和所述基准信号(992)生成检测正交信号(998)；
所述正交信号振幅控制器(995)配置成在将所述基准信号提供至所述求和元件(994)之前，使用所述检测正交信号(998)控制所述基准信号的大小。
5.如权利要求1～3任一项所述的传感器件，其中，所述传感器件还包括检测单元(106)和偏置控制器(1096)；
所述检测单元(106)配置为输入有感测信号(1097)和所述基准信号(1092)；
所述检测单元(106)用于从所述感测信号(1097)和所述基准信号(1092)生成检测正交信号(1098)；
所述偏置控制器(1096)配置为输入有所述检测正交信号(1098)，并向所述求和元件输入与所述检测正交信号相对应的偏置控制信号。
6.如权利要求1～5任一项所述的传感器件，其中，所述控制元件的响应函数为频率响应函数，所述频率响应函数具有基本上与所述第二机械谐振器的谐振频率相一致的谐振频率特性。
7.如权利要求1～6任一项所述的传感器件，其中，所述控制元件是信号处理滤波器。
8.如权利要求7所述的控制元件，其中，所述信号处理滤波器的品质因数大于1。
9.如权利要求7所述的控制元件，其中，所述信号处理滤波器的品质因数的范围为3～10。
10.一种用于感测传感器件的转动的方法，所述传感器件包括微机械陀螺仪，所述微机械陀螺仪包括用于驱动模式振动的第一机械谐振器和与所述第一机械谐振器耦接并用于与所述传感器件的转动相对应的感测模式振动的第二机械谐振器；
在反馈回路中生成反馈信号，所述反馈回路包括控制器和机电换能器，该换能器用于根据输入信号对所述第二机械谐振器的感测模式振动进行阻尼；
在频率发生器中生成用于驱动模式振动的驱动信号和相对于所述驱动模式振动处于正交相位的基准信号；
对正交的所述基准信号和所述控制器的输出信号进行求和，以生成所述第二机械谐振器的输入信号。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述传感器件还包括检测单元和正交信号振幅控制器；该方法包括：
将感测信号和所述基准信号提供至所述检测单元；
在所述检测单元中，从所述感测信号和所述基准信号中生成检测正交信号；
在将所述基准信号提供至所述求和元件之前，在所述正交信号振幅控制器中使用所述检测正交信号控制所述基准信号的大小。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述传感器件还包括检测单元和偏置控制器；该方法包括：
将感测信号和所述基准信号提供至所述检测单元；
在所述检测单元中，从所述感测信号和所述基准信号中生成检测正交信号；
在所述偏置控制器中，使用所述检测正交信号生成与所述检测正交信号相对应的偏压控制信号；
对正交的所述基准信号、所述偏压控制信号和所述控制器的输出信号进行求和，以生成所述第二机械谐振器的输入信号。
CN201380031158.9A 2012-06-29 2013-06-25 改进的振动式陀螺仪 Active CN105378430B (zh)

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