CN107449413A - 对振动微机电陀螺仪中的驱动幅度的连续监测 - Google Patents

Abstract

本发明公开了对振动微机电陀螺仪中的驱动幅度的连续监测。本公开内容涉及一种微机电陀螺仪，其包括至少一个质量元件、驱动致动器和感测电极。所述至少一个质量元件被配置为由驱动致动器驱动以进行具有驱动振荡频率ω_D的振荡运动，并且所述感测电极被配置为从所述至少一个质量元件的振荡运动产生感测信号。陀螺仪控制电路包括以频率2ω_D检测感测信号幅度的幅度检测单元。该幅度产生对驱动振荡幅度的量度。以频率ω_D进行的幅度检测产生对角旋转速率的量度。

Description

对振动微机电陀螺仪中的驱动幅度的连续监测

技术领域

本发明涉及振动微机电(MEMS)陀螺仪并且涉及对其操作的连续监测。

背景技术

MEMS陀螺仪使用科里奥利效应(Coriolis Effect)测量角速度。在振动MEMS陀螺仪中，质量元件由致动驱动力驱动以进行振荡运动。在本公开内容中，该振荡将被称为“驱动振荡”，并且其可以是线性的或旋转的。图1示出了被驱动为沿其主轴a₁线性振荡的质量件，而图2示出了被驱动为绕其主轴a₂旋转振荡的质量件。驱动振荡在两个图中以实心黑色箭头表示。致动驱动力可以由例如静电致动器、磁性致动器或压电致动器产生。

微机电陀螺仪可以包括参考框架，一个或更多个质量元件用允许质量元件以至少两个自由度移动的弹簧结构连接至所述参考框架。参考框架通常围绕质量元件。参考框架和质量元件通常被配置用于彼此相关的电测量。质量元件可以在由参考框架限定的平面内或在由参考框架限定的平面外振荡。

当包含处于驱动振荡的质量元件的陀螺仪经受关于不与主轴平行的次轴的角旋转速率Ω时，质量元件受到科里奥利力的影响。科里奥利力由角旋转速率矢量和质量元件速度矢量的大小和方向决定。处于驱动振荡的质量元件将经受振荡科里奥利力。该力使质量元件沿着或关于垂直于主轴的次轴振荡。本公开内容中沿着或关于次轴的振荡将被称为“感测振荡”。

在图1和图2中，角旋转速率Ω用白色箭头表示，感测振荡用灰色箭头表示。感测振荡在图1中为沿着轴a₃的线性振荡，而在图2中为关于轴a₃的旋转振荡。换言之，图1和图2中的次轴是a₃。感测振荡可以通过与固定参考框架相关的电容感测、压电感测或压阻感测进行检测。在本公开内容中，由该检测产生的电信号将被称为“感测信号”。

在本公开内容中，术语“感测振荡幅度”是指陀螺仪中的质量元件在经受感测振荡时从其休息位置偏移的最大程度。术语“驱动振荡幅度”是指陀螺仪中的质量元件在经受驱动振荡时从其休息位置偏移的最大程度。感测振荡幅度和驱动振荡幅度都可以是如图1和图2所示的线性距离或角度。

相应地，在本公开内容中，术语“感测振荡频率”和“驱动振荡频率”分别表示质量元件在感测振荡和驱动振荡中振荡的频率。符号ω_D表示本公开内容中的驱动振荡频率。框架、质量元件和弹簧可以被设计成使得感测振荡频率呈现等于或非常接近驱动振荡频率的值。

可以用一个驱动致动器驱动若干质量元件。驱动运动同时传输到所有质量元件。对若干质量元件的同时电容性监测有助于各种差分电容的测量。差分电容测量比单边测量噪声小，因为它们使得感测振荡(由角速率产生)能够与额外的电容信号(可能由其他振动或加速度产生)更清楚地分离。实现清楚分离的一种方式是以相反的相位驱动质量元件(例如，当一个质量件沿a₁轴在正方向上移动时驱动另一质量件在负方向上移动，或者当一个质量件沿a₁轴在负方向上移动时驱动另一质量件在正方向上移动)。这些质量元件的感测振荡也将处于相反的相位(当一个质量件沿a₃轴在正方向上移动时另一质量件将在负方向上移动，或者当一个质量件沿a₃轴在负方向上移动时另一质量件将在正方向上移动)。这种差分模式感测振荡(由角速率产生)可以清楚地区别于其中上述两个质量件沿着a₃轴在相同的方向上移动的共模运动(由其他振动或加速度产生)。

若干质量元件的另外的好处在于：当若干质量元件围绕中心对称地定位并且被设置为以合适的相位振荡时，避免了围绕陀螺仪的中心的振荡内部角动量(由驱动运动产生)。

图3示出了一种MEMS陀螺仪，其中位于中心的驱动致动器33驱使两个相邻质量元件31和32的线性驱动振荡。图4示出了一种MEMS陀螺仪，其中位于中心的驱动致动器43驱使两个相邻质量元件41和42的旋转驱动振荡。在两种陀螺仪中，两个质量元件通常被驱动为反相振荡，使得当31向左移动时32向右移动以及当41顺时针旋转时42逆时针旋转。

驱动致动器可以是例如电容梳驱动器，其中通过将相邻梳状电极连接到振荡驱动电压来在相邻梳状电极之间产生振荡静电力。在本公开内容中，该振荡电压将被称为驱动信号。驱动信号具有驱动信号幅度和驱动信号频率。驱动振荡频率ω_D跟随驱动信号频率，因为驱动信号频率由致动器直接传递到质量元件。相应地，驱动信号幅度决定驱动振荡幅度。换言之，可以通过调节驱动信号频率来改变驱动振荡频率的值，并且可以通过调节驱动信号幅度来改变驱动振荡幅度的值。驱动信号频率通常设定为与驱动运动中的质量元件的谐振频率相等或非常接近的值，以通过谐振增益来使振荡幅度最大化。

当以上述方式由驱动信号设置驱动振荡时，感测振荡是更复杂的运动。振荡的一个分量由驱动振荡幅度和科里奥利力的强度决定。感测振荡也可以具有其它分量，如将在本公开内容的详细描述中所描述的。陀螺仪设计中的一个目的可以是保持驱动振荡幅度尽可能地恒定。驱动振荡幅度的非预期和未检测到的变化将改变陀螺仪的灵敏度并产生错误的测量结果。

驱动振荡幅度可能不会长时间保持精确不变的原因很多。温度是一个重要因素，因为热膨胀可能会改变驱动振荡的机构。温度变化也影响周围气体对运动的质量元件施加的动态压力。驱动信号电压因此必须被增加或减小以保持与温度变化相同的驱动振荡幅度。

驱动振荡幅度也可以基于温度输入而故意改变，以随着温度变化保持陀螺仪的灵敏度恒定。此温度校正的程度必须在温度校准过程中预先确定。该驱动振荡幅度调节可以用作数字温度校正的补充或替代，其中测量结果用温度校正因子进行缩放。

驱动振荡机制也可能由于操作期间的各种意外故障而改变。陀螺仪的有效部件的制造缺陷或机械磨损或它们之间的接合会逐渐和突然地影响其运行。因此，振动微机电陀螺仪通常配备有用于监测驱动振荡幅度的测量布置。这样的布置对于上述温度校准过程而言也是需要的。

通过连续测量其自身的驱动振荡幅度和频率，可以对振动微机电陀螺仪进行编程，以自动调节驱动信号，以补偿意外的幅度变化或执行温度校正。如果驱动振荡幅度的扰动太严重而无法补偿，则陀螺仪还可以向外部电路报告自身的故障。

文献US8820136 B2公开了具有自检能力的微机电陀螺仪。质量元件被驱动为沿着驱动轴X线性振荡。质量元件也可以在正交感测轴Y的方向上移动。利用质量元件和固定框架上的专用自检电极来实现自检功能。振荡驱动信号被转换成具有比驱动振荡更低的自检频率的振荡自检信号。该自检信号产生在Y方向作用于质量元件上的振荡力。然后，以驱动振荡频率连续地解调从质量元件沿Y方向的移动测量到的信号，以测量科里奥利效应的影响。也以自检频率进行解调，以监测陀螺仪是否仍然正常工作。该现有技术解决方案的问题是需要单独的自检激励电子器件和单独的自检激励致动器。因此，具有这种自检功能的陀螺仪需要更多的芯片面积，并且比没有自检功能的陀螺仪消耗更多的电流。额外的激励电子器件和致动器还引入了额外的复杂性和潜在的测量误差源。

文献US20150211853A1也公开了具有自检能力的微机电陀螺仪。在该文献中，线性驱动致动器产生感测质量件的旋转振荡。自检功能通过包括用于连续监测驱动振荡的单独的感测电极来实现。该解决方案的问题是必须引入额外的电极和电路来监测驱动振荡。此外，驱动信号与驱动监测信号之间存在串扰的风险，这增加了测量误差的风险。

发明内容

本公开内容的目的是提供一种微机电陀螺仪和相关联的方法以克服或至少减轻现有技术中的上述问题。本公开内容的目的通过根据以下方面的布置和方法来实现。本公开内容基于利用感测信号进行角旋转速率测量和驱动振荡幅度监测的构思。

根据本发明的一方面，提供了一种微机电陀螺仪，包括至少一个质量元件、驱动致动器、感测电极和陀螺仪控制电路，其中，驱动致动器被配置为由包括驱动信号幅度和驱动信号频率的驱动信号控制，至少一个质量元件被配置为由驱动致动器驱动以进行具有驱动振荡频率ω_D的振荡运动，并且感测电极被配置为从至少一个质量元件的振荡运动产生感测信号，其特征在于，陀螺仪控制电路包括以频率2ω_D检测感测信号幅度的幅度检测单元。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于操作微机电陀螺仪的方法，所述微机电陀螺仪包括至少一个质量元件、陀螺仪控制电路和驱动致动器，所述驱动致动器由包括驱动信号幅度和驱动信号频率的驱动信号控制，其中，至少一个质量元件由驱动致动器驱动以进行具有驱动振荡频率ω_D的振荡运动，从至少一个质量元件的振荡运动产生感测信号，其特征在于，在陀螺仪控制电路中，以频率2ω_D检测感测信号幅度。

附图说明

在下文中，将参考附图借助于优选实施方式更详细地描述本公开内容，在附图中：

图1示出了其中质量件以线性振荡被致动的MEMS陀螺仪的总体工作原理；

图2示出了其中质量件以旋转振荡被致动的MEMS陀螺仪的总体工作原理；

图3示出了其中两个质量元件以线性振荡被致动的MEMS陀螺仪；

图4示出了其中两个质量元件以旋转振荡被致动的MEMS陀螺仪；

图5示出了用于执行本公开内容中描述的测量和监测功能的陀螺仪控制电路；

图6a-6e示出了第一示例性陀螺仪；以及

图7a-7c示出了第二示例性陀螺仪。

具体实施方式

如从现有技术中已知的，通过以驱动振荡频率ω_D解调感测信号，可以在振动陀螺仪中检测角旋转速率。在本公开内容中提出的构思是：可以通过以两倍于驱动振荡频率的频率——换言之2ω_D——解调同一感测信号来监测驱动振荡幅度。如前所述，驱动振荡频率ω_D是谐振频率，因此在本公开内容中双倍频率将被标记为二次谐波频率。

以下示出的示例性陀螺仪结构产生处于二次谐波频率的周期性的感测信号分量。总体构思是将陀螺仪构造为使得感测的电量在每个驱动振荡周期中表现出两个纯驱动相关的最大值。换言之，陀螺仪被配置为连续产生完全独立于科里奥利效应的感测信号分量，并且由于该感测信号分量以二次谐波频率振荡，所以容易与科里奥利引起的感测信号分量区分开。如上所述，由科里奥利效应引起的感测信号分量通常以驱动振荡(谐振)频率ω_D振荡。

在所公开的设备中，感测信号因此具有至少两个分量。第一分量由科里奥利效应引起，并且其频率为谐振频率ω_D。由驱动振荡运动引起的第二分量是由下面的示例性陀螺仪所描述的结构特性引起的。第二分量的频率为二次谐波频率2ω_D。第一分量的幅度将被标记为科里奥利幅度，第二分量的幅度将被标记为二次谐波幅度。术语“感测信号幅度”将用于指根据感测信号确定的任何幅度，包括科里奥利幅度和二次谐波幅度。

本公开内容描述了一种用于操作微机电陀螺仪的方法，该微机电陀螺仪包括至少一个质量元件、陀螺仪控制电路和驱动致动器，所述驱动致动器由包括驱动信号幅度和驱动信号频率的驱动信号控制。在该方法中，所述至少一个质量元件由驱动致动器驱动进行具有驱动振荡频率ω_D的振荡运动。由所述至少一个质量元件的振荡运动产生感测信号，并且在陀螺仪控制电路中以频率2ω_D检测感测信号幅度。

本公开内容的布置和方法的优点是可以仅使用已经处于适当位置的用于感测科里奥利力的影响的感测设备(感测电极和感测电路)来监测和调节驱动振荡幅度。不需要特别专门用于驱动振荡监测的额外测量电极和用于读取这些驱动振荡量度的电路。也不需要用于引起自检感测振荡的单独的驱动致动器。

因此，与现有技术中已知的相应的解决方案相比，连续的驱动振荡幅度调节和自检可以以更低的电流消耗、更小的面积和更简单的电路在MEMS陀螺仪中执行。潜在的测量误差源的数目减少了。此外，采用单独的驱动振荡测量电路的现有技术解决方案经常表现出驱动信号与驱动振荡测量信号之间的串扰。在本公开内容的布置和方法中，由于以与驱动信号频率不同的频率来监测驱动振荡，所以消除了这种串扰。

图5示出了根据本公开内容的陀螺仪控制电路的示例。陀螺仪控制电路连续监测驱动振荡幅度，并根据需要调节该幅度。可以用传感器504测量MEMS陀螺仪501的感测振荡。这些传感器可以是电容式或压电式。传感器信号可以被放大并在模数转换器505中转换为数字信号。该放大的信号然后可以由两个解调器512、513以驱动振荡频率ω_D以及由两个解调器511、522以二次谐波频率2ω_D进行解调。在一些实施方式中，每个解调器对512+513和511+522可以由以所述频率工作的仅一个解调器来代替。如果陀螺仪501不需要正交补偿，则可以不包括解调器513。

解调器511、环路滤波器518和压控振荡器(VCO)519形成锁相环。VCO 519可以从时钟发生器接收初始时钟信号(ICLK)并产生馈送到解调器511的第一周期性时钟信号(CLK_2F)。解调器511包括相位检测器，相位检测器将CLK_2F的相位与进入的感测信号的相位进行比较。然后可以通过环路滤波器518来调节第一时钟信号CLK_2F，直到其相位与感测信号的相位匹配。然后可以将第一时钟信号CLK_2F从VCO馈送到分频器520，分频器520产生频率为CLK_2F的频率的一半的第二时钟信号CLK_F。

两个时钟信号CLK_F被馈送到解调器512和513。解调器512以由CLK_F确定的频率解调感测信号，并将感测信号馈送到滤波器系统515和校准单元516(其中可以应用速率偏移和温度相关灵敏度校正)以及馈送到串行外围接口(SPI)517。解调器512和滤波器系统515一起构成幅度检测单元524。该检测单元检测科里奥利幅度。由于第一时钟信号CLK_2F在分频器520中被进行频率减半，所以解调器512以解调器511的一半频率工作。替代地，幅度检测单元524可以包括以频率CLK_F工作的带通滤波器和用于检测对应的感测信号幅度的峰值检测器，或用于从感测信号中提取科里奥利幅度的其它装置。

陀螺仪控制电路可以执行正交补偿。由于正交信号与由科里奥利力引起的信号正交，所以馈送到解调器513的时钟信号CLK_F在这种情况下相对于馈送到解调器512的时钟信号被相移90°。解调器513以由CLK_F确定的频率解调感测信号，并将测量信号馈送到正交补偿控制单元514，正交补偿控制单元514向补偿电极506发送信号。如果陀螺仪501不需要正交补偿，则可以省略该正交控制路径。

在幅度检测单元523中检测二次谐波幅度。在图5所示的实施方式中，幅度检测单元523包括解调器522，解调器522以锁相环511-518-519中设置的频率CLK_2F来解调感测信号。在图5中，幅度检测单元523还包括用于从更高次谐波去除波纹的低通滤波器510。替代地，幅度检测单元523可以包括以频率CLK_2F进行操作的带通滤波器和用于检测对应的感测信号幅度的峰值检测器或用于从感测信号中提取二次谐波幅度的其他装置。

所检测到的二次谐波幅度可以馈送到幅度控制单元509，幅度控制单元509包括将测量到的二次谐波幅度与参考值进行比较的幅度比较电路。两者之间的差异被馈送到控制器电路，控制器电路通常用其中计算调节的驱动信号幅度的比例积分方案(PI控制器)来实现。

参考值可以是在设备投入运行之前选择的值、在设备投入运行后获得的较早的测量结果、或初始固定值与较早测量结果的组合。通常在生产过程中的校准过程中选择参考值并存储在非易失性存储器中。

基于幅度比较，幅度控制单元509指示驱动信号发生器508将驱动信号幅度设置为其调节值。幅度控制单元509可以控制正弦激励的幅度(以CLK_F运行)或优选地控制驱动电压的平均(DC)值。然后可以将驱动信号通过数模转换器(DAC)503馈送到驱动致动器502，驱动振荡幅度由此呈现新的调节值。驱动振荡幅度的值可以保持在预定区间内，使得仅当所测量的驱动振荡幅度在该区间之外时才执行调节。

所检测到的二次谐波幅度和调节后的驱动信号幅度都可以被馈送到包括数字容差检测电路的自检监测单元521。来自环路滤波器518的频率LOOPF也可以被馈送到自检监测单元521。自检监测单元连续地读取二次谐波幅度、调节后的驱动信号幅度和驱动振荡频率。如果这些值中的任何值超出了其预设的自检容许余量，则监测单元向外部电路报告有故障的自检，使得可以停止使用该特定的陀螺仪部件。

参考图5，可以更详细地说明本公开内容的设备和方法的优点。首先，不需要专门用于自检目的的附加激励电路或激励致动器。陀螺仪可以仅使用其已经拥有的用于驱使其正常驱动振荡的致动单元和其已经拥有的用于测量感测振荡的传感器来执行其连续自检功能。

因此，本公开内容的设备和方法实现与具有用于检测驱动振荡幅度的单独的测量电极的自检布置相同的目的，同时使用较少的装置面积和更简单的电路。用于检测驱动振荡幅度的单独传感器将需要用于该信号的附加的前置放大器和附加的AD转换器。相反，本公开内容的设备和方法从一个感测信号取得关于感测振荡幅度和驱动振荡幅度两者的信息。通过以驱动谐振频率ω_D进行的解调来取得感测振荡幅度，同时以二次谐波频率2ω_D取得驱动振荡幅度。这两个以不同频率振荡的重叠感测信号分量可以容易且可靠地彼此区分。

本公开内容的设备和方法还可以用于检测其他故障，例如放大器增益的变化或完全关闭感测信号的一部分的故障引线接合。这两种潜在过程缺陷都会减小检测到的感测信号幅度。

示例性陀螺仪

本公开内容的设备和方法可以用许多MEMS陀螺仪结构来实现。在以下两个示例中，将详细描述具有线性振荡质量元件的第一陀螺仪结构和具有旋转振荡质量元件的第二陀螺仪结构。这些示例的目的是说明以二次谐波频率振荡的感测信号分量的起源。这些示例性陀螺仪利用电容检测，但在一些实施方式中也可以是压电检测。

在每个示例中，微机电陀螺仪包括至少一个质量元件、驱动致动器、感测电极和陀螺仪控制电路。驱动致动器被配置为由包括驱动信号幅度和驱动信号频率的驱动信号控制。所述至少一个质量元件被配置为由驱动致动器驱动以进行具有驱动振荡频率ω_D的振荡运动。感测电极被配置为从所述至少一个质量元件的振荡运动产生感测信号，并且陀螺仪控制电路包括幅度检测单元，幅度检测单元以频率2ω_D对感测信号幅度进行检测。

示例1

图6a-6e示出了第一示例性陀螺仪结构的工作原理。陀螺仪是图3所示的类型，其中两个质量元件被驱动为线性振荡。在这种陀螺仪中，驱动振荡频率ω_D可以例如为8kHz。二次谐波频率则将为16kHz。

当该陀螺仪进行角旋转时，科里奥利力驱使与驱动振荡垂直的线性平移，如图1所示。图1中示出的轴也在图6a-6e中示出。

图6a示出了质量元件611，其中感测指状电极614围绕具有固定指状电极644的固定中心电极641。本公开内容中的术语“感测电极”涵盖感测指状电极和固定指状电极。质量元件611由附接到框架(未示出)的弹簧(未示出)悬挂。固定中心电极641和固定指状电极644被固定至框架。质量元件611可以相对于框架沿着a₁轴和a₃轴的方向移动。陀螺仪控制电路测量所有固定指状电极644与所有感测指状电极614之间的差分电容。使用多个指状电极来提高测量精度。

驱动振荡使质量元件611沿着a₁轴的方向前后移动。这种线性平移对测量的差分电容没有影响，因为当质量元件611向左移动时，在固定中心左侧的感测指状电极614与固定指状电极644之间的面积重叠减小，但是相应的重叠在右侧增加完全相同的量。沿a₁轴的驱动振荡对感测到的电容的净影响因此为零。科里奥利力引起以驱动振荡频率沿a₃轴的周期性振荡。这产生了差分电容的可测量变化。

图6b示出了可以如何实现本公开内容的设备和方法的示例。陀螺仪包括两个质量元件611和612，两个质量元件611和612由中心驱动致动器613驱动进行沿着a₁轴的线性振荡。驱动致动器613附接到框架并且驱动运动被电容性地驱使。驱使驱动运动的指状电极由驱动致动器613的每一侧上的一个指状件示意性地示出。为了清楚起见，省略了质量元件611和612上的感测指状电极。

两个质量元件611和612通过驱动致动器613的左侧和右侧的两个杆622和623彼此物理耦接。如前所述，驱动致动器613反相地驱使两个质量元件611和612，使得当612向右移动时611向左移动以及当612向左移动时611向右移动。为了清楚起见，在图6b中，横向运动的范围被极大地夸大了。

图6c示出了具有两个质量元件611、612和驱动致动器613的陀螺仪中的杆622和623的实际位置。如图6c所示，杆622和623平行于陀螺仪两侧的框架651延伸，并且附接到质量元件611的顶角和质量元件612的底角。杆622和623可以不是完全刚性的。除了产生感测信号中的二次谐波分量之外，它们还可以用于额外的目的。当质量元件611和612彼此耦接时，它们沿着a₃轴的共模谐振频率变得大于差模谐振频率。这使得更容易将感测振荡与其他电容性信号分离，如本申请的背景部分所说明的。在这种情况下，杆622和623必须是柔性的以使得611和612在相反方向上移动的差模不被抑制。有关杆622和623的其他功能的进一步细节可以在现有技术文献WO2012120190中找到。

杆622和623具有足够的刚度，以通过图6b所示的工作原理实现本公开内容的设备和方法。该图示出了驱动振荡循环中的序列I-II-III。完整的振荡周期对应于循环II-I-II-III-II。当第一质量元件611被驱动到左侧而第二质量元件612被驱动到右侧处于位置I时，杆622和623以角度α向左倾斜。杆622和623然后向右倾斜相同的倾斜角度α处于位置III。

因此，如果质量元件611和612之间的距离在位置II处为d，则它们之间的距离在位置I和III处为d·cosα。换言之，在位置I和III处，杆622和623将两个质量元件拉动得在a₃轴的方向上略微更靠近彼此。由于这种拉动动作，质量元件上的每个点在驱动振荡周期II-I-II-III-II中延略微弯曲的线移动，如图6b的底部所示。因此，除了它们的主要的线性振荡即沿a₁轴的正常驱动振荡之外，两个质量元件611和612也将呈现沿着a₃轴的次级线性振荡。因为角度α较小，所以该次级线性振荡具有小的幅度，但幅度足以产生可测量的感测信号分量。

重要的是，质量元件611和612的这种次级线性振荡在一个完整的驱动振荡周期中表现出两个距离最大值和两个距离最小值，因为它们经过中心位置II两次。因此，由于驱动振荡频率为ω_D，所以次级线性振荡将获得二次谐波频率2ω_D。因此，通过本公开内容的设备和方法，从次级线性振荡产生的感测信号易于与由科里奥利效应产生的信号分离。

图6d更详细地示出了该示例性陀螺仪结构的几何形状。该图示出了在电极中心641的每一侧上的一个固定指状电极644和固定中心电极641的一部分。为了保持清楚，质量元件611和612简单地由两对感测指状电极614和624表示，并且仅示出了一对固定指状电极644。

杆622和623将质量元件611连接至质量元件612，如图6b所示。质量元件在图6d中处于中心位置II，其中杆622和623垂直于感测指状电极614和624。每个杆的长度为L，并且在该位置，指状电极614和644之间的距离为d₀，如图所示。感测指状电极614相对于固定指状电极644在a₁轴上的初始位置由虚线P表示。

图6e示出了当杆由于质量元件的驱动运动而向右倾斜角度α时，处于位置III的同一陀螺仪几何形状。图6e中所示的所有部件对应于图6d中所示的部件，但为了清楚起见，省略了附图标记。在位置III处感测指状电极614相对于固定指状电极644在a₁轴上的位置由虚线P’表示。可以看出，两个感测指状电极614已经向右移动距离h，而相对的感测指状电极624已经向左移动相同的距离h。距离h可以解释为驱动振荡幅度，因为在位置III处质量元件611已经移动到其最右端并且质量元件612已经移动到其最左端。

由于上述原因，在沿a₁轴移动距离h时，感测指状电极614和624沿着a₃轴远离其相应的固定指状电极644移动。记住在两侧发生相同的位移，直接根据图6d和6e的几何形状得到：

以及

设ΔC表示当质量元件从位置II(图6d所示)移动到位置III(如图6e所示)时一对固定指状电极644与一对感测指状电极614之间的电容发生变化的量。ΔC可以写为h的函数：

其中，C₀是处于位置II时的电容，C₁是处于位置III时的电容，ε是介电常数，A是感测指状电极与固定指状电极之间的重叠面积。如上所述，该面积在驱动振荡运动中保持恒定。

位移h非常小。因此，函数ΔC(h)可以通过围绕h＝0的泰勒级数进行近似，产生如下结果：

ΔC(h)～h² (4)

对于每个指状电极对而言，计算是相同的。因此，从质量元件测量到的电容感测信号将表现出其幅度与驱动振荡幅度h的平方成比例的周期性分量。这个幅度是二次谐波幅度。比例系数的确切值将取决于指状电极对的数目及其尺寸以及距离L和d₀。它可以由本领域技术人员来确定。

要注意的是，可以使用感测信号的二次谐波幅度来连续监测驱动振荡幅度h。此外，二次谐波幅度是驱动振荡幅度的变化的非常敏感的指标，因为其值与驱动振荡幅度平方成比例。

一旦确定了二次谐波幅度，就可以计算相应的(测量的)驱动振荡幅度。如果驱动振荡幅度的参考值为h_ref，并且在时间t测量的驱动振荡幅度为h_meas，则例如可以在具有如下已知公式的PI控制器中计算针对驱动信号幅度的调节值S_ADJ(t)：

其中，K_p和K_i是非负系数。

调节值也可以以其他方式计算。调节可以是有条件的，因此除非测量到的二次谐波幅度(或相应的驱动振荡幅度)在其参考值周围的预定区间之外，否则不进行调节。

示例2

图7a-7b示出了第二示例性陀螺仪结构的工作原理。陀螺仪类型如图4所示，其中两个质量元件被驱动为旋转振荡。如前所述，当该陀螺仪进行角旋转时，科里奥利力将驱使在基板平面外的旋转。

如图7a所示，可以通过使用质量元件711上方和下方的板状感测电极741和742的差分电容测量来检测基板平面外的旋转。电极和质量元件的表面积已经在图7a中被绘制为精确相等，但是本公开内容的设备和方法也可以用小于或大于感测质量件面积的电极面积来实现。

当质量元件711处于驱动运动时，其关于轴a₂来回旋转。图7b示出了投影到a₁-a₃平面上的顶部感测电极741和质量元件711的位置。在图7b所示的时刻，质量元件已经逆时针旋转。为了说明的目的，在图中旋转被大大地夸大了。顶部感测电极741和底部感测电极742保持固定在其初始位置。从图7b可以看出，当质量元件已经旋转远离其中心位置时，每个感测电极(741，742)与质量元件711的面积重叠更小。

每个感测电极741和742与质量元件711之间的电容与它们的面积重叠成正比。图7b中在顶部感测电极741下面可见的质量元件711的灰色区域对电容没有贡献。换言之，当质量元件711关于a₂轴来回振荡时，面积重叠周期性地变化。

质量元件711以驱动振荡频率ω_D振荡。然而，面积重叠振荡将获得二次谐波频率2ω_D，因为在驱动循环振荡的每个周期中，重叠表现出两个最小值和两个最大值。图7b中示出了一个最小值，其中质量元件711已经旋转到其逆时针方向极端。当质量元件711已经旋转到其顺时针方向极端(未示出)时，将发生另一最小值。换言之，感测电极741和742将在每个周期中完全与质量元件711重叠两次。即使当质量元件面积不完全等于感测电极面积时，也可以容易地产生相同的周期效应，只要面积重叠有一些变化即可。

感测到的电容当然也由质量元件711关于a₃轴的周期性位移确定，这归因于科里奥利效应。如前所述，电容的振荡变化表现出驱动振荡频率ω_D。科里奥利效应引起的振荡和面积重叠振荡在感测信号中容易区分，因为它们具有不同的频率。

在该示例中，面积重叠振荡信号分量的幅度与驱动振荡的幅度成比例。这可以如下所示。

如图7b所定义的，感测电极741和质量元件711的高度为2H，其宽度为2W。图7c更详细地示出了图7b的左上角的几何形状。几何形状中的重要点用字母A、B、C、D和E表示。质量元件的旋转角度为θ，这可以解释为驱动振荡幅度，因为图7b中质量元件711已经转到其逆时针极端。

由于质量元件711的中心点E在其旋转时保持固定，所以线AB形成具有两边长度和顶角θ的等腰三角形ABE的基部。因此，线AB的长度L_AB为：

当三角形ABC应用正弦定律时，结果为：

其中，L_AC是从点A到点C的距离，L_BC是从B到C的距离。由于Φ＝90°-θ，因此sin(180°-Φ)＝cosθ。此外，δ＝(180°-(90°+θ)-γ)＝90°-θ-γ并且因此sinδ＝cos(θ+γ)。

因此，从(6)可以看出：

由于E是感测质量的中心点，所以角度β＝tan^-1(W/H)。从点A周围的角度可以看出：β加上等腰三角形的底角等于γ加上直角。换言之，

实际上，角度θ比角度β小得多，因为驱动振荡使质量元件711转动很小。然后，为了良好的近似，γ≈β和方程(5)、(7)和(8)可以被组合成：

其可以写成：

图7c中的灰色三角形的面积可以标记为A_ADC。它现在可以写成θ的函数：

由于角θ很小，所以函数A_ABC(θ)可以通过围绕点θ＝0的泰勒级数进行近似。这产生了比例关系：

A_ABC(θ)～θ (12)

相同的分析直接应用于图7b中感测电极/质量元件结构的右下角。它也适用于同一电极/质量元件结构的右上角和左下角，具有一个修改：角度β在这两个角部中具有值tan^-1(H/W)。

因此，当质量元件711以关于a₂轴的角度θ转动到其逆时针方向极端时，面积重叠的总体变化与该角度成正比。测量到的电容与面积重叠成正比，因此可以看出

ΔC(θ)～θ (13)

因此，从质量元件测量到的电容感测信号将表现出其幅度与驱动振荡幅度θ成比例的周期性分量。这个幅度是二次谐波幅度。

比例系数的确切值将取决于W和H的尺寸。此外，二次谐波信号分量可以用任意数目的替代几何形状生成。感测电极和质量元件面积不必相等也不必对称。电极和质量元件不必具有相同的中心点。在每种情况下，比例系数可以由本领域技术人员来确定。

要注意的是，可以使用感测信号的二次谐波幅度来连续监测驱动振荡幅度θ。一旦确定了二次谐波幅度，就可以计算相应的(测量的)驱动振荡幅度，并且可以以与上述第一示例性陀螺仪相同的方式来调节驱动信号幅度。

Claims (18)

1.一种微机电陀螺仪，包括至少一个质量元件、驱动致动器、感测电极和陀螺仪控制电路，其中，

所述驱动致动器被配置为由包括驱动信号幅度和驱动信号频率的驱动信号控制，

所述至少一个质量元件被配置为由所述驱动致动器驱动以进行具有驱动振荡频率ω_D的振荡运动，并且

所述感测电极被配置为从所述至少一个质量元件的振荡运动产生感测信号，

其特征在于，

所述陀螺仪控制电路包括以频率2ω_D检测感测信号幅度的幅度检测单元。

2.根据权利要求1所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪控制电路还包括以频率ω_D检测所述感测信号幅度的幅度检测单元。

3.根据前述权利要求中任一项所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪控制电路还包括：幅度控制单元，其基于以频率2ω_D检测到的感测信号幅度来调节所述驱动信号幅度。

4.根据权利要求3所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述幅度控制单元被配置为将检测到的感测信号幅度与参考感测信号幅度进行比较。

5.根据前述权利要求中任一项所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪控制电路：

包括锁相环，在所述锁相环中，所述感测信号以频率2ω_D进行解调，

包括分频器，所述分频器对所述锁相环中设定的频率进行减半，并且

将减半的频率馈送到信号发生器，其中所述信号发生器将所述驱动信号频率设定为所述减半的频率。

6.根据权利要求5所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括自检监测单元，如果所检测到的感测信号幅度、调节后的驱动信号幅度或所述锁相环中设定的频率超出自检容许余量，则所述自检监测单元输出指示自检故障的信号。

7.根据前述权利要求中任一项所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述至少一个质量元件被参考框架包围。

8.根据权利要求7所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述至少一个质量元件在由所述参考框架所限定的平面内振荡。

9.根据权利要求8所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述至少一个质量元件在由所述参考框架所限定的平面外振荡。

10.一种用于操作微机电陀螺仪的方法，所述微机电陀螺仪包括至少一个质量元件、陀螺仪控制电路和驱动致动器，所述驱动致动器由包括驱动信号幅度和驱动信号频率的驱动信号控制，其中，

所述至少一个质量元件由所述驱动致动器驱动以进行具有驱动振荡频率ω_D的振荡运动，

从所述至少一个质量元件的振荡运动产生感测信号，

其特征在于，

在所述陀螺仪控制电路中，以频率2ω_D检测感测信号幅度。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，以频率ω_D检测第二感测信号幅度。

12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征在于，基于以频率2ω_D检测到的感测信号幅度来调节所述驱动信号幅度。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将感测信号幅度与参考感测信号幅度进行比较。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，

在锁相环中以频率2ω_D对所述感测信号进行解调，

将所述锁相环中设定的频率在分频器中减半，并且

将减半的频率馈送到信号发生器，其中所述信号发生器将所述驱动信号频率设定为所述减半的频率。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，

将检测到的感测信号幅度馈送到自检监测单元，

将调节后的驱动信号幅度馈送到所述自检监测单元，

将所述锁相环中设定的频率馈送到所述自检监测单元，并且

如果检测到的感测信号幅度、调节后的驱动信号幅度或所述锁相环中设定的频率超过自检容许余量，则由所述自检监测单元输出指示自检故障的信号。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个质量元件被参考框架包围。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一个质量元件在由所述参考框架限定的平面内振荡。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述至少一个质量元件在由所述参考框架限定的平面外振荡。