CN111670338B - 具有科里奥利振动陀螺仪谐振器的角度传感器 - Google Patents

Abstract

一种角度传感器，包括科里奥利振动陀螺仪(CVG)谐振器，该谐振器能够沿着包括第一法向模态和第二法向模态的第一对法向n＝1模态以及包括第三法向模态和第四法向模态的第二对法向n＝2模态振荡；传感器还包括：一个驱动电极和一个感测电极，它们沿着每个模态的反节点轴线对齐；以及一对偏置调谐电极，如果没有驱动和感测电极对与每个模态的反节点轴线对齐，则该对偏置调谐电极与所述反节点轴线对齐。

Description

具有科里奥利振动陀螺仪谐振器的角度传感器

相关申请

本申请要求于2017年8月11日提交且标题为“Multi-mode Coriolis VibratoryGyroscopes having High Order Rotationally Symmetric Mechanical Structure and32Electrodes”的美国临时专利申请No.62/544661的优先权；据此以引证的方式将该申请全文并入。

【技术领域】

本介绍涉及MEMS陀螺仪，具体涉及使用具有高阶机械对称性并且优选具有用于控制并感测谐振器振荡的至少32个电极的谐振器的MEMS陀螺仪。

【背景技术】

陀螺仪可以用于大范围的应用中，包括飞机、航天器、导弹等的制导。陀螺仪(或“gyro”)测量角速率，即，陀螺仪绕一个或多个轴线旋转的速率。陀螺仪的输出可以是数字数据流。陀螺仪的速率分辨率(即，陀螺仪检测低角速率或角速率的小变化的能力)可能部分受模数转换器(ADC)的分辨率(即，位数)和比例因子限制，该ADC可以是将物理感测元件连接到陀螺仪的数字输出的信号链的一部分。陀螺仪的范围(即，它能够测量的最大角速率)也可能与ADC的分辨率和比例因子有关。由此可见，被设计为以高角速率运行的陀螺仪可能具有较差的分辨率，而高分辨率陀螺仪可能具有相对有限的范围。然而，某些应用可能需要既具有高范围(例如，在被设计为高度机动的飞机或导弹中)又具有高分辨率的陀螺仪，以提供准确的制导。

MEMS陀螺仪可以是振动结构陀螺仪或“科里奥利振动陀螺仪”，这些陀螺仪使用振动结构来确定其旋转速率，其遵循的基本物理原理是：即使振动对象的支撑物旋转，振动对象也倾向于在同一平面内继续振动。科里奥利效应使得振动对象例如对其支撑物施加力，并且通过测量该力，可以确定旋转速率。振动结构陀螺仪比类似准确度的传统旋转陀螺仪更简单且更便宜。用MEMS技术制造的廉价振动结构陀螺仪广泛用于智能手机、游戏装置、照相机以及许多其他应用中。

已知的MEMS陀螺仪，诸如在US7168318(Challoner等人的ISOLATED PLANARMESOGYROSCOPE)中公开的，对其环境(温度、振动)保持敏感。

具有有吸引力的CSWaP(成本尺寸重量和功率)的环境鲁棒高性能惯性传感器在武器、太空以及车辆系统中都有强烈的需求。需要一种比已知的MEMS陀螺仪对环境不敏感的MEMS陀螺仪。

【发明内容】

本介绍涉及一种科里奥利振动陀螺仪(CVG)，该CVG的电极被布置为沿着一对n＝1法向模态而且沿着一对n＝2模态同时维持并测量CVG谐振器的振荡。在适当的情况下，CVG包括电极，这些电极被布置为沿着所述模态微调CVG谐振器振荡的各个频率。在适当的情况下，CVG可以包括电极，这些电极被布置为相对于每个所述模态生成动态引起的静态转矩。

根据实施方式，CVG谐振器表现出N次旋转对称性，其中，N是大于或等于8的2的幂。根据本介绍的实施方式，CVG的电极包括16对差分电极，这些电极以CVG谐振器的周界的预定距离布置在所述周界的周围，例如，预定距离在径向上为100nm至30μm，优选在径向上为2μm至30μm。

根据本介绍的实施方式，CVG包括控制电路，该控制电路维持第一对模态下的振荡之间的第一目标相位差和第二对模态下的振荡之间的第二目标相位差。

根据本介绍的实施方式，CVG包括控制电路，该控制电路使用通过使用第一对模态下的振荡的感测以粗略灵敏度进行的旋转测量，作为用于通过使用第二对模态下的振荡的感测以更高灵敏度进行的旋转测量的偏误。

根据本介绍的实施方式，两个n＝1模态理想地或名义上退化。根据本介绍的实施方式，两个n＝2模态理想地或名义上退化。

本介绍的实施方式包括一种角度传感器，该角度传感器具有：科里奥利振动陀螺仪(CVG)谐振器，该谐振器能够沿着以下模态振荡：第一对法向n＝1模态，包括第一法向模态和第二法向模态，第一法向模态和第二法向模态中的每一个均具有一个反节点轴线；和第二对法向n＝2模态，包括第三法向模态和第四法向模态，第三法向模态和第四法向模态中的每一个具有两个反节点轴线；驱动电极和感测电极中的至少一个，这些电极沿着第一法向模态和第二法向模态中的每一个的反节点轴线对齐；驱动电极和感测电极中的至少一个，这些电极沿着第三法向模态和第四法向模态中的每一个的第一反节点轴线对齐；以及一对偏置调谐电极，如果没有驱动或感测电极与第三模态和第四模态中的每一个的第二反节点轴线对齐，则这些电极与所述第二反节点轴线对齐。

根据本介绍的实施方式，沿着第一和第二反节点轴线对齐的驱动电极和感测电极中的至少一个是包括一个感测电极和一个驱动电极的一对的每一部分。

根据本介绍的实施方式，角度传感器还包括：第一对偏置正交电极，如果没有驱动或感测电极或者没有偏置调谐电极对与和每个模态的感测和驱动电极中的至少一个的轴线偏离360/(8*n)度的轴线对齐，则第一对偏置正交电极与所述360/(8*n)度偏离轴线对齐；和第二对偏置正交电极，如果没有驱动或感测电极或者没有偏置调谐电极对与和每个模态的所述偏置调谐电极的轴线偏离360/(8*n)度的轴线对齐，则第二对偏置正交电极与所述360/(8*n)度偏离轴线对齐。

根据本介绍的实施方式，角度传感器还包括：粗略读出电路，该粗略读出电路被配置为：驱动第一对模态，以第一灵敏度测量第一对模态的运动，并且从第一对模态的所测量运动导出CVG谐振器的真实角速率的粗略测量值；和精细读出电路，该精细读出电路被配置为：接收粗略测量值，驱动第二对模态，以高于第一灵敏度的第二灵敏度测量第二对模态的运动(所述测量偏移所述粗略测量值)，并且从第二对模态的所测量运动和所接收的粗略测量值导出CVG谐振器的真实角速率的精细测量值。

根据本介绍的实施方式，为了所述驱动第一对模态，粗略读出电路包括：第一频率参考，该第一频率参考被配置为生成第一参考信号；第一相位控制电路，该第一相位控制电路被配置为：测量第一相位目标之间的第一相位差以及第一法向模态的振荡的相位与第一参考信号的相位之间的差，并且将第一相位校正信号施加到CVG谐振器，以减小第一相位差；以及第二相位控制电路，该第二相位控制电路被配置为：测量第二相位目标之间的第二相位差以及第二法向模态的振荡的相位与第一参考信号的相位之间的差，并且将第二相位校正信号施加到CVG谐振器，以减小第二相位差。

根据本介绍的实施方式，为了所述驱动第二对模态，精细读出电路包括：第二频率参考，该第二频率参考被配置为生成第二参考信号；第三相位控制电路，该第三相位控制电路被配置为：测量第三相位目标之间的第三相位差以及第三法向模态的振荡的相位与第二参考信号的相位之间的差，并且将第三相位校正信号施加到CVG谐振器，以减小第三相位差；以及第四相位控制电路，该第四相位控制电路被配置为：测量第四相位目标之间的第四相位差以及第四法向模态的振荡的相位与第二参考信号的相位之间的差，并且将第四相位校正信号施加到CVG谐振器，以减小第四相位差。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为以第一驱动频率驱动第三法向模态，并且以第二驱动频率驱动第四法向模态，并且精细读出电路被配置为通过以下方式来导出CVG谐振器的真实角速率的精细测量值：调节第一驱动频率和第二驱动频率，使得第一驱动频率与第二驱动频率之间的差与粗略测量值成比例。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为通过以下方式来导出CVG谐振器的真实角速率的精细测量值：调节第三法向模态的固有频率和第四法向模态的固有频率，使得第三法向模态的固有频率与第四法向模态的固有频率之间的差与粗略测量值成比例。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为通过调节施加到耦合到第三法向模态的调谐电极的偏置电压，来调节第三法向模态的固有频率。

根据本介绍的实施方式，谐振器具有N次旋转对称性，N为2的幂且至少等于8。

根据本介绍的实施方式，每个电极包括具有至少一对差分子电极的子电极组。

根据本介绍的实施方式，角度传感器包括至少32个子电极。

根据本介绍的实施方式，每个电极包括具有至少两对叉指式差分子电极的子电极组。

根据本介绍的实施方式，每个子电极对的两个子电极被布置为接收或发射相对于彼此异相180度的差分信号。

根据本介绍的实施方式，频率参考包括原子频率参考、恒温晶体振荡器(OCXO)或温度控制晶体振荡器(TCXO)。

根据本介绍的实施方式，原子频率参考是基于铷、铯或氢或锶的时钟。

根据本介绍的实施方式，原子频率参考是芯片级原子时钟(CSAC)。

根据本介绍的实施方式，第一相位控制电路被配置为通过调节第一法向模态的固有频率来将第一相位校正信号施加到CVG谐振器。

根据本介绍的实施方式，第一相位控制电路被配置为通过向CVG谐振器的第一调谐电极施加偏置电压来调节第一法向模态的固有频率。

根据本介绍的实施方式，第二相位控制电路被配置为通过向CVG谐振器的第二调谐电极施加偏置电压来调节第二法向模态的固有频率。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为以19位的分辨率生成CVG谐振器的真实角速率与粗略测量值之间的差的测量值。

根据本介绍的实施方式，粗略读出电路被配置为以19位的分辨率生成CVG谐振器的真实角速率与粗略测量值之间的差的测量值。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为以19位的分辨率生成CVG谐振器的真实角速率与粗略测量值之间的差的测量值。

根据本介绍的实施方式，粗略读出电路被配置为驱动第一对模态，使得第一法向模态的运动幅度是第二法向模态的运动幅度的大约10倍。

根据本介绍的实施方式，粗略读出电路被配置为驱动第一对模态，使得第一法向模态的运动相位与第二法向模态的运动相位相差大约90度。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为驱动第二对模态，使得第三法向模态的运动幅度是第四法向模态的运动幅度的大约10倍。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为驱动第二对模态，使得第三法向模态的运动相位与第四法向模态的运动相位相差大约90度。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为以第一驱动频率驱动第三法向模态，并且以第二驱动频率驱动第四法向模态，并且精细读出电路被配置为通过以下方式来导出CVG谐振器的真实角速率与粗略测量值之间的差的测量值：调节第一驱动频率和第二驱动频率，使得第一驱动频率与第二驱动频率之间的差与粗略测量值成比例。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为通过以下方式来导出CVG谐振器的真实角速率与粗略测量值之间的差的测量值：调节第三法向模态的固有频率和第四法向模态的固有频率，使得第三法向模态的固有频率与第四法向模态的固有频率之间的差与粗略测量值成比例。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路被配置为通过调节施加到耦合到第三法向模态的调谐电极的偏置电压，来调节第三法向模态的固有频率。

这些和其他特征以及优点将从下面的详细描述和附图变得更显而易见。在附图和说明书中，附图标记指示各种特征；同样的附图标记贯穿附图和说明书这两者指代同样的特征。

【附图说明】

图1示出了根据本介绍的实施方式的角度传感器的片段的图片、以及传感器的CVG谐振器的详细视图的片段和CVG谐振器的片段的非常详细视图。

图2示出了可以在根据本介绍的实施方式的角度传感器中使用的感测电路的示意图。

图3例示了诸如图2例示的感测电路的操作。

图4A和图4B示出了可以在根据本介绍的实施方式的角度传感器中使用的模态相位控制电路的示意图。

图5示出了可以在根据本介绍的实施方式的角度传感器中使用的差分电极控制电路的示意图。

图6例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器的CVG谐振器的反节点轴线。

图7例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器的CVG谐振器的控制和感测电极的理想位置。

图8例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器的CVG谐振器的控制和感测电极的实际位置。

图9A例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器的CVG谐振器的第一n＝1振荡模态。

图9B例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器的CVG谐振器的第二n＝1振荡模态。

图9C例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器的CVG谐振器的第一n＝2振荡模态。

图9D例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器的CVG谐振器的第二n＝2振荡模态。

图10例示了可以如何将加速度灵敏度引入到角度传感器的n＝2振动模态中。

图11A和图11B例示了根据本介绍的实施方式的、可以如何控制一对模态中的模态的振荡频率。

【具体实施方式】

在以下描述中，阐述了大量具体细节，以清楚地描述此处公开的各种具体实施方式。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有下面讨论的所有具体细节的情况下实践当前描述的发明。在其他情况下，未描述众所周知的特征，以免使本发明模糊不清。

本介绍的实施方式涉及一种具有科里奥利振动陀螺仪谐振器的角度传感器，该谐振器被配置为沿着优选地具有等于或大于8次(也就是2的幂(即，8、16、32、64等))的旋转对称性的一对n＝1模态和一对n＝2模态振荡。旋转对称性(在生物学中也称为径向对称性)是形状在某一旋转进行部分圈后看起来相同时具有的特性。对象的旋转对称度是指它看起来相同的不同方位的数量。

图1示出了根据本介绍的实施方式的角度传感器10的片段的图片，该角度传感器包括具有8次旋转对称度的CVG谐振器12，该谐振器包括底部(未示出)通过诸如柱(未示出)的支撑物附接到基板16的平坦中心圆形部14、以及在与圆形部14基本相同的平面中的多个同心环18。最里面的同心环18由沿着中心部14的周界规则布置的一系列柱20(例如，在所例示的N＝8次旋转对称度谐振器12中为N＝8个柱)附接到中心部14。朝向谐振器外部的每个另外同心环由一系列N个柱附接到先前的同心环，该N个柱相对于将先前的环附接到谐振器中心的柱绕谐振器的轴线旋转360/N度。也可以使用N的倍数个柱，而不是N个柱。中心部14、同心环18以及柱20可以通过从单个基板(例如，半导体基板)蚀刻掉物质来形成。可以使用除图1所例示的谐振器架构以外的其他类型的谐振器架构。例如，在临时美国申请No.62/555617中描述了图1所例示类型的谐振器，据此以引证的方式将该申请并入。机械谐振器12可以使用标准的微机电系统(MEMS)工艺来制造，特别是进行绝缘体上硅(SOI)晶片的高纵横比深反应离子蚀刻(DRIE)，并且经由氢氟酸(HF)蚀刻(液态HF，然后进行临界点干燥(CPD)或不需要随后的CPD步骤的干燥蒸汽HF释放)从处理基板释放CVG机械谐振器结构。这种结构的示例包括在美国临时专利申请62/542744中描述的圆盘谐振器陀螺仪(DRG，图1)和生命之花式振动陀螺仪，以引证的方式将该申请并入。

根据本介绍的实施方式，多个电极22与谐振器的外围相距预定距离地沿着谐振器12的外围布置在基板16上，以便在电极与谐振器之间形成静电间隙。根据本介绍的实施方式，电极22可以与CVG机械谐振器圆盘的外围隔开宽度/距离为100nm至30μm(优选距离为2μm至30μm)的径向静电间隙。电极22可以通过以下方式来创建：将间隙同时蚀刻到与机械振动结构12相同的(例如，硅)层中，使得电极在谐振器12的外围周围自对齐。

根据本介绍的实施方式并且如以下详述的，谐振器12能够沿着包括第一法向模态和第二法向模态的第一对法向n＝1模态振荡，第一法向模态和第二法向模态中的每一个均具有一个反节点轴线；并且谐振器能够沿着包括第三法向模态和第四法向模态的第二对法向n＝2模态振荡，第三法向模态和第四法向模态中的每一个具有两个反节点轴线。如以下详述的，电极22包括：驱动电极和感测电极中的至少一个，该至少一个电极沿着第一法向模态和第二法向模态中的每一个的反节点轴线对齐；驱动电极和感测电极中的至少一个，该至少一个电极沿着第三法向模态和第四法向模态中的每一个的第一反节点轴线对齐；以及一对偏置调谐电极，如果没有驱动或感测电极与所述第二反节点轴线对齐，则该对偏置调谐电极与第三模态和第四模态中的每一个的第二反节点轴线对齐。实际上，如以下详述的，在某些谐振器中，四个模态中的第一个的反节点轴线可以与四个模态中的第二个的反节点轴线对齐。在这种情况下，优先于具有与所述第一和第二模态之一的反节点轴线对齐的一对偏置调谐电极，根据本公开的传感器优先包括与四个模态中的第一和第二模态中的每一个的反节点轴线对齐的驱动和感测电极。仅当第一和第二模态之一的反节点轴线没有驱动和感测电极时，传感器才可以包括一对偏置调谐电极。

根据本介绍的实施方式而且如以下详述的，电极22对于每种模态还包括：第一对偏置正交电极，如果没有驱动或感测电极或者没有偏置调谐电极对与和每个模态的反节点轴线顺时针偏离360/(8*n)度的轴线对齐，则第一对偏置正交电极与所述360/(8*n)度偏离轴线对齐；和第二对偏置正交电极，如果没有驱动或感测电极或者没有偏置调谐电极对与和每个模态的反节点轴线逆时针偏离360/(8*n)度的轴线对齐，则第二对偏置正交电极与所述360/(8*n)度偏离轴线对齐。

根据本介绍的实施方式并且如以下详述的，上述的每个电极(驱动电极、感测电极、偏置调谐电极、偏置正交电极)可以是包括并排布置的至少两个电极的差分电极。根据本介绍的实施方式，传感器可以在真空环境中用盖密封，以维持高品质因数(Q)。

图2示意性地例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器10的感测电路24的元件，该感测电路24包括粗略读出电路26、精细读出电路28以及在输出32处生成高动态范围信号的求和电路30。感测电路24可以如例如在美国专利申请No.15/253694中详述的制作并操作，据此以引证的方式将该申请并入。在本介绍的实施方式中，粗略读出电路26和精细读出电路28耦合26’、28’到谐振器电极，以驱动(用驱动电极)第一和第二对模态，测量(用感测电极)第一和第二对模态的运动，并且导出振动谐振器12绕其轴线的旋转的粗略和精细测量值，如以下详述的。

根据本介绍的实施方式，粗略读出电路26可以被配置为：驱动第一对(n＝1)模态，以第一灵敏度测量第一对模态的运动，并且从第一对模态的所测量运动导出CVG谐振器12的真实角速率的粗略测量值27。根据本介绍的实施方式，精细读出电路28可以被配置为：接收粗略测量值27，驱动第二对(n＝2)模态，以高于第一灵敏度的第二灵敏度测量第二对模态的运动(所述测量偏移所述粗略测量值27)，并且从第二对模态的所测量运动和所接收的粗略测量值27导出CVG谐振器的真实角速率的精细测量值32。

图3例示了根据本介绍的实施方式的感测电路24的操作：粗略读出电路26接收模拟角旋转速率信号262(谐振器12绕其轴线旋转的速率)并且输出具有较小比例因子的数字角旋转速率信号261。曲线261示出了作为谐振器12的模拟旋转速率262的函数的粗略读出电路26的数字输出。例如，粗略读出电路26可以生成19位数据流，由粗略读出电路26输出的数据流中的每个19位数字表示CVG 10的瞬时角速率，其比例因子等于2¹⁸(第19位是符号位)除以最大可测速率。例如，2¹⁸是262144，对于能够测量每秒±900度的最大角速率的CVG 10，比例因子可以是262144/900或大约291.3位每度每秒，并且速率分辨率是900/262144或大约0.0034度每秒。在一些实施方式中，粗略读出电路可以包括24位模数和数模转换器(未示出)，这些转换器可能具有固有噪声，使得有效位数可以是19或20位。为了清楚起见，图3例示了更低分辨率的4位ADC，其中，在数字曲线261上可辨别与可能的4位数字对应的16个ADC输出电平。

根据本介绍的实施方式，粗略读出电路26的输出作为补偿或偏置调节被馈送27到精细读出电路28，使得精细读出电路28的输出范围可以显着更小，并且可以使用更大的比例因子。例如，如果角速率262与在粗略读出电路26的输出处的角速率的数字表示之间的差是粗略读出电路输出的二分之一位(即，0.0034度每秒的一半)，那么由精细读出电路28测量的剩余角速率可以是±0.003412度每秒，即,±0.0017度每秒。因此，精细读出电路28的比例因子可以被选择为显著大于粗略读出电路26的比例因子。例如，如果精细读出电路28也生成19位数据流(数据流中的每个19位数字数表示CVG的剩余瞬时角速率(即，在减去粗略读出电路偏移之后)，那么精细读出电路28的分辨率可以是0.0017度每秒除以2¹⁸(第19位为符号位)，即，6.5x10-9度每秒、或24微度每小时。在图3中，曲线281示出了不具有偏移减法的精细读出电路28的输出，并且曲线282示出了具有偏移减法的精细读出电路28的输出。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路28可以被配置为驱动第二对(n＝2)模态，使得第三法向模态的运动相位与第四法向模态的运动相位相差大约90度。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路28可以被配置为以第一驱动频率驱动第三法向模态并以第二驱动频率驱动第四法向模态，并且通过以下方式来导出CVG谐振器12的真实角速率与粗略测量值27之间的差的测量值：调节第一驱动频率和第二驱动频率，使得第一驱动频率与第二驱动频率之间的差与粗略测量值27成比例。

根据本介绍的实施方式，模态的驱动频率和相位可以由发送到该模态的驱动电极的信号确定。

根据本介绍的实施方式，精细读出电路28可以被配置为通过以下方式来导出CVG谐振器12的真实角速率与粗略测量值27之间的差的测量值：调节第三法向模态的固有频率和第四法向模态的固有频率，使得第三法向模态的固有频率与第四法向模态的固有频率之间的差与粗略测量值成比例。根据本介绍的实施方式，第一对(例如，BT1)偏置调谐电极可以用于调节第三法向模态频率并且第二对(例如，BT2)偏置调谐电极可以用于调节第四法向模态频率。

图4A示出了根据本介绍的实施方式的粗略读出电路26的驱动电路34的示意图，粗略读出电路包括：第一频率参考36，该第一频率参考被配置为生成第一参考信号38；和第一相位控制电路40，该第一相位控制电路被配置为：测量第一相位目标之间的第一相位差以及第一法向模态42的振荡的相位与第一参考信号38的相位之间的差，并且将第一相位校正信号施加到CVG谐振器12，以减小第一相位差。根据本公开的实施方式，粗略读出电路26还包括第二相位控制电路44，该第二相位控制电路被配置为：测量第二相位目标之间的第二相位差以及第二法向模态46的振荡的相位与第一参考信号38的相位之间的差，并且将第二相位校正信号施加到CVG谐振器12，以减小第二相位差。根据本介绍的实施方式，由控制电路40和44形成的控制回路可以使第一(n＝1)模态42和第二(n＝1)模态46以90度的相位差以相同的频率振荡。例如，这允许在谐振器12旋转期间容易地检测从第一模态到第二模态的能量转移。在图9A和图9B中可以找到例示了第一法向模态和第二法向模态的详细示图。

根据本介绍的实施方式，第一相位控制电路40可以被配置为通过调节第一法向模态的固有频率来将第一相位校正信号施加到CVG谐振器12。根据本介绍的实施方式，电极22不包括用于第一法向模态的专用DC调谐电极，并且除了第一法向模态的驱动电极(例如，N1D1{+/-})和感测电极(例如，N1S1{+/-})上的AC电压和/或电流外，还施加第一法向模态的DC调谐电压来调节第一法向模态频率。

根据本介绍的实施方式，第一相位控制电路40可以被配置为通过向CVG谐振器12的第一调谐电极施加偏置电压来调节第一法向模态的固有频率。根据本介绍的实施方式，第一法向模态的固有频率可以通过将DC调谐电压添加到第一法向模态的驱动电极(例如，N1D1{+/-})和感测电极(例如，N1S1{+/-})上的AC信号来调节。

根据本介绍的实施方式，第一相位控制电路40可以被配置为通过向CVG谐振器12的第二调谐电极施加偏置电压来调节第二法向模态的固有频率。根据本介绍的实施方式，第二法向模态的频率可以通过将DC调谐电压添加到第二模态的驱动电极(例如，N1D2{+/-})和感测电极(例如，N1S2{+/-})上的AC信号来调节。

图4B示出了根据本介绍的实施方式的精细读出电路28的驱动电路48的示意图，精细读出电路包括：第二频率参考50，该第二频率参考被配置为生成第二参考信号52；和第三相位控制电路54，该第三相位控制电路被配置为：测量第三相位目标之间的第三相位差以及第三法向模态56的振荡的相位与第二参考信号52的相位之间的差，并且将第三相位校正信号施加到CVG谐振器12，以减小第三相位差。根据本公开的实施方式，精细读出电路48还包括第四相位控制电路58，该第四相位控制电路被配置为：测量第四相位目标之间的第四相位差以及第四法向模态60的振荡的相位与第二参考信号52的相位之间的差，并且将第四相位校正信号施加到CVG谐振器12，以减小第四相位差。根据本介绍的实施方式，由控制电路54和58形成的控制回路可以使第三(n＝2)模态56和第四(n＝2)模态60以90度的相位差以相同的频率振荡。例如，这允许在谐振器12旋转期间容易地检测从第三模态到第四模态的能量转移。在图9C和图9D中可以找到例示了第三法向模态和第四法向模态的详细示图。

为了便于参考，驱动电路34和48在两个分开的图4A和图4B中示出，但是形成驱动电路34和48的电极和部件以及感测电路24的剩余部分优选地全部布置在基板16上。驱动电路34和48可以如例如在美国专利申请No.15/253694或美国专利申请15/253704中详述的制作并操作，据此以引证的方式将两个申请并入。

图5例示了根据本介绍的实施方式的、可以是角度传感器的一部分的差分电极22d、22s以及差分电极驱动和感测电路62。具体地，驱动和感测差分电极以及驱动和感测电路可以是控制电路40、44、54以及58中的每一个的一部分，驱动和感测电极与和控制电路关联的模态对齐。在图5中，谐振器12被例示为由一对有效机械弹簧Kx 64和Ky 66悬挂的矩形质量M。为了便于计算，在某些情况下，可以假定Ky 66是无限的，使得质量12的振动运动仅沿着水平或X方向以单个自由度(DOF)发生。根据本介绍的实施方式，假定质量12是导电的并且处于0伏的接地电位。在图5中，X轴与谐振器12的四个法向模态之一对齐。为了便于例示，未示出谐振器12的其他模态或谐振器12的圆形。根据本介绍的实施方式，谐振器12是圆形的并且包括至少四个法向振荡模态(两个n＝1模态；两个n＝2模态)。在图5中，在谐振器12的一侧上示出了单个驱动电极22d，并且在谐振器12的另一侧上示出了对应的单个感测电极22s，该感测电极沿着谐振器的X轴/法向模态与电极22d对齐。

根据本介绍的实施方式，驱动电极22d和感测电极22s各自包括子电极组，该子电极组具有并排布置的至少一对差分子电极(分别为22d’、22d”以及22s’、22s”)。根据本介绍的实施方式，电极22d、22s各自包括以叉指方式并排布置的多于一对的差分子电极。

根据本介绍的实施方式，驱动电极22d的子电极组的前半部分22d’可以维持在+Vpd/2的DC电压68，而驱动电极22d的子电极组的后半部分22d”可以维持在-Vpd/2的DC电压70，使得驱动子电极22d’与驱动子电极22d”之间的总电势差为Vpd。

根据本介绍的实施方式，感测电极22s的子电极组的前半部分22s’可以维持在+Vps/2的DC电压72，而感测电极22s的子电极组的后半部分22s”可以维持在-Vps/2的DC电压74，使得感测子电极22s’与感测子电极22s”之间的总电势差为Vps。

根据本介绍的实施方式，输入驱动电压被分成异相的两半，例如使得施加到驱动子电极22d’的值Vid/2的AC电压76为正，而施加到驱动子电极22d”的值-Vid/2的AC电压78为负。异相电压的该组合被称为差分驱动。根据本介绍的实施方式，在感测侧上，分别来自感测子电极22s’、22s”的运动电流异相，以便使质量12均匀运动。这是差分感测的示例。感测子电极22s”连接到差分跨阻抗放大器(TIA)80的负输入，并且感测子电极22s’连接到差分TIA 80的正输入。根据本介绍的实施方式，差分TIA 80的反馈电阻器(R_TIA)82耦合到TIA 80的负输入，并且反馈电阻器(R_TIA)84耦合到TIA 80的正输入。TIA 80放大来自22s”和22s’的差分运动电流I_SX并将其转换为差分输出电压Vodx 86。本领域技术人员将理解，装置还可以在第一感测子电极22s”的DC电压为+Vps/2且第二感测子电极22s’的DC电压为-Vps/2时运行。感测子电极22s”与感测子电极22s’之间的总电势差仍为Vps。

因为驱动电极22d’、22d”由异相180度的AC电压Vid/2(76)和-Vid/2(78)驱动，并且因为驱动子电极22d’与感测子电极22s’之间以及驱动子电极22d”与感测子电极22s”之间的寄生电容被布置成近似相等，所以由寄生电容生成的馈通电流异相并且在感测子电极22s”处彼此抵消。类似地，由寄生电容生成的异相馈通电流在感测子电极22s’处彼此抵消。

图5所例示的差分电极22d、22s以及差分电极驱动和感测电路62例如可以如在美国专利申请No.14/836462中详述的制造并操作，据此以引证的方式将该申请并入。

图6例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器的CVG谐振器12的节点轴线和反节点轴线的一部分。图6仅例示了两个n＝2模态的反节点轴线、它们对应的反节点轴线以及可以与所述模态关联的偏置正交电极的轴线。

谐振器12的第一n＝2模态具有反节点轴线90，该反节点轴线被示出为相对于图6的垂直线顺时针成π/8的角度。根据本介绍的实施方式，诸如图5例示的驱动电极22d(未示出)在标记为D1的位置处与轴线90对齐地布置在谐振器12的外围的一侧上；并且诸如图5例示的感测电极22s(未示出)在标记为S1的位置处与轴线90对齐地布置在谐振器12的外围的相对侧上。

谐振器12的第二n＝2模态具有反节点轴线92，该反节点轴线被示出为相对于图6的垂直线逆时针成π/8的角度。根据本介绍的实施方式，驱动电极22d(未示出)在标记为D2的位置处与轴线92对齐地布置在谐振器12的外围的一侧上；并且感测电极22s(未示出)在标记为S2的位置处与轴线92对齐地布置在谐振器12的外围的相对侧上。

第一n＝2模态的第二反节点轴线94在图6中例示，相对于第一n＝2模态的反节点轴线90成π/2的角度。根据本公开的实施方式，偏置调谐电极(未示出)沿着轴线94(在标记为BT1的位置处)布置在谐振器12的外围的每一侧上，因为没有具有感测/驱动电极的谐振器12的另一种模态的反节点轴线与轴线94对齐。根据本介绍的实施方式，偏置调谐电极可以具有与图5所例示的感测和驱动电极相同的结构。根据本介绍的实施方式，DC电压可以维持在沿着模态的反节点轴线布置的偏置调谐电极之间，以微调所述模态的振荡频率(通过使谐振器的机电系统沿着所述模态或多或少具有刚性：将静电调谐电势施加到偏置调谐电极产生负静电刚度，这导致更软的模态振动刚度并有效降低模态频率)。通过调节偏置电压进行的这种频率调谐例如可以如在美国专利申请No.15/253694或美国专利申请15/253704中详述的实施，据此以引证的方式将两个申请并入。根据本介绍的实施方式，可以将DC电压另外发送到传感器的驱动电极，以将线性分量添加到发送到谐振器的驱动信号。类似地，可以将DC电压另外发送到传感器的感测电极，以将增益因子添加到在这些电极上接收的感测信号。

类似地，第二n＝2模态的第二反节点轴线96在图6中例示，相对于第二n＝2模态的反节点轴线92成π/2的角度。根据本公开的实施方式，如果没有感测电极和驱动电极与轴线96对齐，则偏置调谐电极(未示出)在标记为BT2的位置处沿着轴线96布置在谐振器12的外围的每一侧上。BT2处的偏置调谐电极相对于第二模态可以具有与BT1处的偏置调谐电极相对于第一模态相同的结构和相同的功能/操作。

根据本介绍的实施方式，例示了与第一n＝2模态关联的第一偏置正交轴线98，相对于第一反节点轴线90逆时针地成π/8的角度；并且例示了与第一n＝2模态关联的第二偏置正交轴线100，相对于第一反节点轴线94逆时针地成π/8的角度。根据本介绍的实施方式，如果没有谐振器12的模态的感测电极或驱动电极或偏置调谐电极与轴线98对齐，则偏置正交电极(未示出)在标记为BX1的位置处沿着轴线98布置在谐振器12的外围的每一侧上。类似地，如果没有谐振器12的模态的感测电极或驱动电极或偏置调谐电极与轴线100对齐，则偏置正交电极(未示出)在也标记为BX1的位置处沿着轴线100布置在谐振器12的外围的每一侧上。BX1处的偏置正交电极可以具有与图5所例示的感测和驱动电极相同的结构。在适当情况下施加到BX1处的偏置正交电极的DC电压的动态控制引入动态感应的静态转矩，该转矩允许补偿谐振器12的制造缺陷。优选在标记为BX1的四个位置处具有四个电极。然而，如果偏置正交轴线与具有其他模态的感测和驱动电极或偏置调谐电极的轴线对齐，则可以仅使用两个电极来实施部分偏置正交控制。以下关于图7提供有关如何操作BX1电极和BX2电极的细节。

根据本介绍的实施方式，例示了与第二n＝2模态关联的第三偏置正交轴线102，相对于第二反节点轴线92逆时针地成π/8的角度；并且例示了也与第二n＝2模态关联的第四偏置正交轴线104，相对于第一反节点轴线96逆时针地成π/8的角度。根据本介绍的实施方式，如果没有谐振器12的模态的感测电极或驱动电极或偏置调谐电极与轴线102对齐，则偏置正交电极(未示出)在标记为BX2的位置处沿着轴线102布置在谐振器12的外围的每一侧上。类似地，如果没有谐振器12的模态的感测电极或驱动电极或偏置调谐电极与轴线104对齐，则偏置正交电极(未示出)在也标记为BX2的位置处沿着轴线104布置在谐振器12的外围的每一侧上。BX2处的偏置正交电极可以具有与图5所例示的感测和驱动电极相同的结构。BX2处的偏置正交电极的操作可以与BX1处的偏置正交电极的操作相同。

图7在每个电极仅包括两个子电极的实施方式中例示了与图6所例示的两个n＝2模态对应的电极的位置。例如，在位置D1处的驱动电极可以包括分别在位置D1+、D1-处的两个驱动子电极22’、22”，这两个位置相对于轴线90对称地布置在谐振器12的外围上。类似地，在位置S1处的感测电极可以包括分别在位置S1+、S1-处的两个感测子电极22’、22”，这两个位置相对于轴线90对称地布置在谐振器12的外围上，与位置D1相对。根据本介绍的实施方式，在位置D1+、D1-、S1+、S1-处的差分驱动电极和感测电极可以连接到第一驱动和感测电路62，诸如图5例示。

与以上类似，在位置D2处的驱动电极22可以包括分别在位置D2+、D2-处的两个驱动子电极22’、22”，这两个位置相对于轴线92对称地布置在谐振器12的外围上，并且在位置S2处的感测电极22可以包括分别在位置S2+、S2-处的两个感测子电极22’、22”，这两个位置相对于轴线92对称地布置在谐振器12的外围上，与位置D2相对。根据本介绍的实施方式，在位置D2+、D2-、S2+、S2-处的差分驱动电极和感测电极可以连接到第二驱动和感测电路62，诸如图5例示。

如图7例示，在位置BT1、BT2、BX1以及BX2处的电极22可以各自包括两个子电极22’、22”，该两个子电极相对于轴线94、96、98、100、102、104对称地布置在谐振器12的外围的每一侧上。根据本介绍的实施方式，在位置BT1、BT2、BX1以及BX2的每个处的两个子电极可以连接在一起，由此各自形成非差分电极。根据本介绍的实施方式，环形电极106可以布置在传感器的电极22周围。根据本介绍的实施方式，接触垫108可以布置在基板16的表面上，例如如图7例示地靠近基板16的边缘，以便形成LCC44型封装。根据实施方式，基板16可以包括至少一个接触垫108，该接触垫对应于传感器的每个电极22或子电极22’、22”并与之电连接。根据本介绍的实施方式，被提供为接收信号的每个接触垫可以由被提供为连接到地面、耦合到环形电极106或还例如耦合到谐振器12的接触垫(GB垫)与被提供为接收另一个信号的相邻接触垫分开。

注意，如图7例示的电极22、机械谐振器12以及电极22与谐振器12之间的静电间隙的组合形成了静电换能器，该换能器可以用于两个目的：

1/在D1或D2电极上以n＝2振动模态的谐振频率或接近该频率施加AC电压信号将分别在第一n＝2模态或第二n＝2模态下激发CVG机械谐振器圆盘的机械振动运动；和

2/沿着CVG机械谐振器12的第一n＝2模态或第二n＝2模态的振动运动将生成AC感测电流，该感测电流可以被跨阻抗放大器(TIA)放大并转换为电压信号，该电压信号用于通过模数转换器(ADC)转换到数字域。

在这两种情况下，必须跨静电间隙施加DC电压，以使其极化，使得可以执行特定静电换能器的驱动功能或感测功能。为了如例如在美国申请No.14/836462(据此以引证的方式将该申请并入)中公开地消除静电馈通，驱动电极和感测电极分别分成正(+)子电极和负(-)子电极。差分AC电压信号(振幅相等，但相位/极性相反)分别施加到位置D1+和D1-中的子电极。这在n＝2个模态中的第一个模态下激发CVG机械谐振器12的振动运动。然后可以通过跨S1+和S1-静电换能间隙施加DC极化电压来检测该振动运动。这转而产生一对差分感测电流，该对电流被差分TIA放大并转换为差分电压信号。相同的方法应用于D2+/-和S2+/-。

根据本介绍的实施方式，当圆盘或环形陀螺仪或谐振器12使其周界例如沿着第一n＝2模态变形为椭圆形时，存在与中心相距更大径向距离的两个反节点(例如，在图7上，为轴线90)以及与中心相距更小径向距离的两个反节点(例如，图7，轴线94)。这是时间上的正弦周期的前半部分的峰值处的振动模态的快照。在该配置中，如果在BX1电极与电极GB之间存在重大的电势差，则BX1电极在轴线90上的两个反节点上施加逆时针(CCW)方向的力，该力用来将振动模态模式拉向BX1电极。在轴线94上的反节点处，因为振动模式导致有效间隙更大(圆盘在这些点处朝向中心移动)，所以这些点将受到更小的力。因此，净结果是沿逆时针方向在第一n＝2模态振动模式上的转矩。在下半个周期中，轴线94上的反节点远离中心，而轴线90上的反节点更加靠近中心。在这种情况下，现在在轴线94上形成了力，但它仍然指向逆时针方向(CCW)，因此在后半个周期中的净作用也是将第一n＝2模态拉向BX1电极轴线。

以类似的方式，BX2电极可以将第一n＝2模态顺时针(CW)地拉向BX2电极。

根据本介绍的实施方式，对于BX1和BX2对第二n＝2模态的作用正好相反(即，BX1顺时针/CW拉动第二n＝2模态，并且BX2逆时针/CCW拉动第二n＝2模态)。然而，假如以恒定幅度驱动第一n＝2模态(例如，在驱动模态下使用锁相环或PLL和自动增益控制(AGC)电路)，而第二n＝2模态未驱动(开环)或主动驱动为零运动(强制平衡操作)，则第二模态幅度将非常小且不会受到BX电极的很大影响。在这种情况下，通过使用施加到BX1和/或BX2的调谐电压的组合来适当地对齐驱动模态，因为科里奥利效应产生的力是径向定向的速度和垂直(平面外)定向的旋转轴线的交叉乘积，所以响应于所施加旋转的感测模态运动将自动对齐。对于n＝2模态，这种力的方向与驱动轴线为45°，这是感测模态。换言之，如果用轴线90上的D1电极驱动第一n＝2模态，并且BX1和BX2被适当调节为将第二n＝2模态确切地对齐到轴线90，那么在旋转下由于科里奥利效应产生的净驱动力沿着n＝2模态2(感测模态)轴线定向，该轴线是图7中的轴线92。根据本介绍的实施方式，可以将电极GB偏置为非零DC值，并且可以将BX1/BX2电极名义地保持为DC接地(直到对它们施加调谐电势为止)，或者可以将GB电极保持为地电势，然后可以对BX1/BX2进行DC偏置。

图8例示了根据本介绍的实施方式的角度传感器的CVG谐振器12的控制和感测电极的实际位置。如上所述，根据本介绍的实施方式的谐振器12包括一对n＝1模态和一对n＝2模态。图8的谐振器12能够沿着第一n＝1法向模态并沿着第二n＝1法向模态振荡，第一n＝1法向模态具有相对于图8中的垂直线顺时针成角度π/4的反节点轴线110，第二n＝1法向模态具有相对于垂直线逆时针成角度π/4的反节点轴线112。根据本介绍的实施方式，谐振器12还能够沿着第三n＝2法向模态并沿着第四n＝2法向模态振荡，第三n＝2法向模态如关于图6和图7描述的具有反节点轴线90，第四n＝2法向模态如关于图6和图7描述的具有反节点轴线92。如图6例示，立即看起来对于轴线110和112分别与轴线104和102对齐。

根据本介绍的实施方式，用于第一法向模态的驱动电极可以包括分别在标记为N1D1+、N1D1-的位置处的两个驱动子电极22’、22”，这两个位置相对于轴线110对称地布置在谐振器12的外围上。类似地，用于第一法向模态的感测电极可以包括分别在标记为N1S1+、N1S1-的位置处的两个感测子电极22’、22”，这两个位置相对于轴线110对称地布置在谐振器12的外围上，与位置N1D1+、N1D1-相对。根据本介绍的实施方式，在位置N1D1+、N1D1-、N1S1+、N1S1-处的差分驱动电极和感测电极可以连接到第三驱动和感测电路62，诸如图5例示。

根据本介绍的实施方式，用于第二法向模态的驱动电极可以包括分别在标记为N1D2+、N1D2-的位置处的两个驱动子电极22’、22”，这两个位置相对于轴线112对称地布置在谐振器12的外围上。类似地，用于第二法向模态的感测电极可以包括分别在标记为N1S2+、N1S2-的位置处的两个感测子电极22’、22”，这两个位置相对于轴线112对称地布置在谐振器12的外围上，与位置N1D2+、N1D2-相对。根据本介绍的实施方式，在位置N1D2+、N1D2-、N1S2+、N1S2-处的差分驱动电极和感测电极可以连接到第四驱动和感测电路62，诸如图5例示。

根据本介绍的实施方式，图8的传感器包括如图7中公开的感测和驱动子电极，它们在位置N2D1+、N2D1-、N2S1+、N2S1-、N2D2+、N2D2-、N2S2+、N2S2-，用于驱动并感测沿着具有反节点轴线90和92的法向模态的振荡。根据本介绍的实施方式，用于模态的驱动电极和感测电极的位置可以交换到谐振器12的外围的一侧或另一侧。

根据本介绍的实施方式并且如图8例示，在谐振器12的外围上不存在第一或第二法向模态的偏置调谐电极。根据本介绍的实施方式并且如图8例示，因为与谐振器12的第一和第二n＝1法向模态的反节点轴线110和112偏离π/4的方向不与任何驱动/感测电极对或任何偏置调谐电极对对齐，所以在与轴线100对齐的位置BX2处在谐振器12的外围上布置第一对偏置正交电极，该轴线100与轴线110偏离45度；并且在与轴线98对齐的位置BX1处在谐振器12的外围上布置第二对偏置正交电极，该轴线98与轴线112偏离45度。注意，在位置BX1、BX2处的每个偏置正交电极在图8中被例示为包括相对于轴线98、100对称布置的两个子电极。根据本介绍的实施方式并且如前所述，每个偏置正交电极的两个子电极可以一起连接到基板16上的接触垫，并且另选地，每个偏置正交电极可以是单个电极。注意，因为谐振器的两个n＝1模态具有π/2偏离的轴线，所以在位置BX1、BX2处的正交偏置电极可以用于补偿影响第一和第二n＝1模态这两者的谐振器12的制造缺陷。

根据本介绍的实施方式并且如图8例示，因为谐振器12的第三n＝2法向模态的反节点轴线94(沿着轴线90)不包括来自谐振器12的另一个模态的驱动/感测电极，所以在谐振器12的外围上与轴线94对齐的位置BT1处存在第三法向模态的一对偏置调谐电极。类似地，因为谐振器12的第四n＝2法向模态的反节点轴线96(沿着轴线92)不包括来自谐振器12的另一个模态的驱动/感测电极，所以在谐振器12的外围上与轴线96对齐的位置BT2处存在第四法向模态的一对偏置调谐电极。

根据本介绍的实施方式并且如图8例示，因为与谐振器12的第三n＝2法向模态的反节点轴线90和94顺时针偏离π/8的方向与和谐振器12的第一和第二模态关联的驱动/感测电极对对齐，所以在轴线110和112上在谐振器12的外围上未布置与第三模态和第四模态对应的偏置正交电极。类似地，因为与谐振器12的第四n＝2法向模态的反节点轴线92和96逆时针偏离π/8的方向与和谐振器12的第一和第二模态关联的驱动/感测电极对对齐，所以在轴线110和112上在谐振器12的外围上未布置与第三模态和第四模态对应的偏置正交电极。在轴线98和100上被标记为BX1和BX2(指示电极用于谐振器12的第一和第二n＝1主模态的功能)的电极可以以先前在图7中指示的方式，用作用于第三和第四n＝2主模态的正交电极BX1。如果需要，则可以通过适当调节N1{D/S}{+/-}电极上的DC电平来为第三和第四n＝2主模态实现BX2功能。

根据本介绍的实施方式，使谐振器12遵循表现出N次旋转对称性的旋转对称性(其中，N是大于或等于8的2的幂)有利地允许具有以很少频率分割与谐振器中的弹簧模式对齐的n＝1和n＝2模态对模式，由此使以具有期望相位的期望频率驱动各种模态容易。根据本介绍的实施方式，耦合到差分子电极的接触垫可以并排布置在基板16上，例如，如图8例示。

具有如图8所示布置的电极允许同时操作CVG机械谐振器12的n＝1和n＝2对模态这两者。这至少具有以下两个优点：a/从n＝1模态对获得的旋转测量(感测)信号可以用作粗略的旋转信号读出，并且与从n＝2模态对获得的旋转测量信号组合，以创建更高动态范围的陀螺仪系统，这类似于在美国申请No.15/253694中对于n＝2和n＝3模态对描述的内容；和b/使用消除或减轻振动对陀螺仪的影响的强制平衡技术控制n＝1模态对，因为这些是对加速度最敏感的面内模态，这类似于在美国申请No.15/253704中对于n＝2和n＝3模态对描述的内容。

图9A例示了在如图1所示的谐振器12(包括连续的同心环18的平面谐振器，这些同心环通过柱20附接到中心圆形部(未示出)，然后附接到彼此)在谐振器的第一n＝1振荡模态(该模态在该图中具有水平轴线)下振荡时的、谐振器的最大变形。

图9B例示了在如图1所示的谐振器12在谐振器的第二n＝1振荡模态(该模态在该图中具有垂直轴线)下振荡时的、谐振器的最大变形。

图9C例示了在如图1所示的谐振器12在谐振器的第三n＝2振荡模态(该模态在该图中具有相对于垂直线顺时针偏离π/8的轴线)下振荡时的、谐振器的最大变形。

图9D例示了在如图1所示的谐振器12在谐振器的第四n＝2振荡模态(该模态在该图中具有相对于垂直线逆时针偏离π/8的轴线)下振荡时的、谐振器的最大变形。

为了清楚起见，谐振器12的变形幅度在图中被夸大；当谐振器静止时，谐振器的最大幅度小于谐振器的外围与传感器的电极之间的距离。

图10例示了物理机制，如果没有通过如例如图4A所例示的回路来校正n＝1振动模态，则将通过该物理机制将加速度灵敏度引入到在此处公开的高精度旋转传感器中使用的n＝2振动模态。n＝1模态对面内线性加速度(如图所示为X，推断为Y)高度敏感。由于非线性效应(几何和材料)，由于Ax加速度或Ay加速度而产生非零应变场。然后，该非零应变在频率上扰乱n＝2模态，这导致它们测量人为的视旋转，这导致陀螺仪误差。本介绍公开了将在美国申请No.15/253694中公开的类型的多模态控制同时应用于n＝1和n＝2模态(与美国申请No.15/253694中公开的n＝2和n＝3模态控制相反)。通过将如在美国申请No.15/253704中公开的强制平衡技术应用于n＝1模态，由面内加速度生成的应变量大大减少，这使对高精度n＝2模态的影响最小化。同时，从n＝1模态控制器获得旋转速率的粗略估计并将其与高精度n＝2模态旋转速率读出组合，以创建更高动态范围的旋转测量系统，如美国申请No.15/253694中公开的(再次在美国申请No.15/253694中的n＝2和n＝3模态对被n＝1和n＝2模态对代替之后)。

图11A和图11B例示了根据本介绍的实施方式的、可以如何控制一对模态中的模态的振荡频率。在不使用如图4例示的控制回路来操作具有在制造时如图7布置的32个子电极的Si谐振器12的情况下，对于谐振器的两个n＝2模态测量了该谐振器的振荡频率。图11A中再现的测量值示出了两个n＝2模态之间分割的5.3Hz频率。然后在如上面详述地将静态DC调谐电势适当地施加到电极BT1、BT2、BX1以及BX2之后，对于同一谐振器的两个n＝2模态测量其振荡频率，这示出最优调谐的谐振器分割在两个n＝2模态之间小于60mHz。图11B例示了在使用如图4例示的控制回路操作角度传感器时的、来自角度传感器的输出电压信号。在这种情况下，使用精确速率表将具有8秒周期的已知正弦物理旋转施加到角度传感器，并且测量与旋转速率成比例的产生的输出电压。

现在已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域技术人员将理解如何对本发明进行改变和修改以满足其特定要求或条件。这种改变和修改可以在不脱离如此处公开的本发明的范围和精神的情况下进行。

为了例示和公开，根据法律的要求，呈现了示例性和优选实施例的前述详细描述。不旨在穷尽也不将本发明限于所述的精确形式，而是仅使得本领域其他技术人员能够理解本发明如何适合于特定的用途或实施方案。修改例和变型例的可能性对于本领域技术人员将是明显的。

示例性实施方式的描述不旨在限制，这些实施方式可以已包括公差、特征维数、特定操作条件、工程规范等，并且可以在实施方案之间变化或随着现有技术的变化而变化，并且不应从其暗示任何限制。申请人已经关于当前技术水平做出了本公开，但是还预期进展，并且未来的改编可以考虑这些进展，即根据当时的当前技术水平。

优选地包括此处描述的所有元件、零件以及步骤。应当理解，如将对本领域技术人员明显的，这些元件、零件以及步骤中的任意一个都可以被其他元件、零件以及步骤替代或完全删除。

广义地，本文献至少公开了以下内容：一种角度传感器，包括科里奥利振动陀螺仪(CVG)谐振器，该谐振器能够沿着包括第一法向模态和第二法向模态的第一对法向n＝1模态以及包括第三法向模态和第四法向模态的第二对法向n＝2模态振荡；传感器还包括：一个驱动电极和一个感测电极，它们沿着每个模态的反节点轴线对齐；以及一对偏置调谐电极，如果没有驱动和感测电极对与每个模态的反节点轴线对齐，则该对偏置调谐电极与所述反节点轴线对齐。

Claims (30)

1.一种角度传感器，该角度传感器包括：

科里奥利振动陀螺仪谐振器，该谐振器用于沿着以下模态振荡：

第一对法向n＝1模态，包括第一法向模态和第二法向模态，所述第一法向模态和第二法向模态中的每一个均具有一个反节点轴线；和

第二对法向n＝2模态，包括第三法向模态和第四法向模态，所述第三法向模态和第四法向模态中的每一个具有两个反节点轴线；

驱动电极和感测电极中的至少一个，其沿着所述第一法向模态和第二法向模态中的每一个的所述反节点轴线对齐；

驱动电极和感测电极中的至少一个，其沿着所述第三法向模态和第四法向模态中的每一个的第一反节点轴线对齐；以及

一对偏置调谐电极，如果没有驱动或感测电极与所述第三法向模态和第四法向模态中的每一个的第二反节点轴线对齐，则所述一对偏置调谐电极与所述第二反节点轴线对齐。

2.根据权利要求1所述的角度传感器，其中，沿着所述第一和第二反节点轴线对齐的驱动电极和感测电极中的所述至少一个是包括一个感测电极和一个驱动电极的一对的每一部分。

3.根据权利要求1所述的角度传感器，还包括：

第一对偏置正交电极，如果没有驱动或感测电极或者没有偏置调谐电极对与和每个模态的感测和驱动电极中的所述至少一个的轴线偏离360/(8*n)度的轴线对齐，则第一对偏置正交电极与所述偏离360/(8*n)度的轴线对齐；和

第二对偏置正交电极，如果没有驱动或感测电极或者没有偏置调谐电极对与和每个模态的所述偏置调谐电极的轴线偏离360/(8*n)度的轴线对齐，则第二对偏置正交电极与所述偏离360/(8*n)度的轴线对齐。

4.根据权利要求2所述的角度传感器，包括：

粗略读出电路，其被配置为：

驱动所述第一对法向模态，

以第一灵敏度测量所述第一对法向模态的运动，并且

从所述第一对法向模态的所测量运动导出所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的真实角速率的粗略测量值；和

精细读出电路，其被配置为：

接收所述粗略测量值，

驱动所述第二对法向模态，

以高于所述第一灵敏度的第二灵敏度测量所述第二对法向模态的运动；所述测量被所述粗略测量值补偿，并且

从所述第二对法向模态的所测量运动和所接收的粗略测量值导出所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的真实角速率的精细测量值。

5.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，为了所述驱动所述第一对法向模态，所述粗略读出电路包括：

第一频率参考，其被配置为生成第一参考信号；和

第一相位控制电路，其被配置为：

测量第一相位目标之间的第一相位差以及所述第一法向模态的振荡的相位与所述第一参考信号的相位之间的差，

将第一相位校正信号施加到所述科里奥利振动陀螺仪谐振器，以减小所述第一相位差；以及

第二相位控制电路，其被配置为：

测量第二相位目标之间的第二相位差以及所述第二法向模态的振荡的相位与所述第一参考信号的相位之间的差，并且

将第二相位校正信号施加到所述科里奥利振动陀螺仪谐振器，以减小所述第二相位差。

6.根据权利要求5所述的角度传感器，其中，为了所述驱动所述第二对法向模态，所述精细读出电路包括：

第二频率参考，其被配置为生成第二参考信号；

第三相位控制电路，其被配置为：

测量第三相位目标之间的第三相位差以及所述第三法向模态的振荡的相位与所述第二参考信号的相位之间的差，并且

将第三相位校正信号施加到所述科里奥利振动陀螺仪谐振器，以减小所述第三相位差；以及

第四相位控制电路，其被配置为：

测量第四相位目标之间的第四相位差以及所述第四法向模态的振荡的相位与所述第二参考信号的所述相位之间的差，并且

将第四相位校正信号施加到所述科里奥利振动陀螺仪谐振器，以减小所述第四相位差。

7.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为以第一驱动频率驱动所述第三法向模态，并且以第二驱动频率驱动第四法向模态，并且

其中，所述精细读出电路被配置为通过以下方式来导出所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的真实角速率的精细测量值：调节所述第一驱动频率和所述第二驱动频率，使得所述第一驱动频率与所述第二驱动频率之间的差与所述粗略测量值成比例。

8.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为通过以下方式来导出所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的真实角速率的精细测量值：调节所述第三法向模态的固有频率和第四法向模态的固有频率，使得所述第三法向模态的固有频率与所述第四法向模态的固有频率之间的差与所述粗略测量值成比例。

9.根据权利要求8所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为通过调节施加到耦合到所述第三法向模态的调谐电极的偏置电压，来调节所述第三法向模态的固有频率。

10.根据权利要求1所述的角度传感器，其中，所述谐振器具有N次旋转对称性，N为2的幂且至少等于8。

11.根据权利要求1所述的角度传感器，其中，每个电极包括具有至少一对差分子电极的子电极组。

12.根据权利要求11所述的角度传感器，包括至少32个子电极。

13.根据权利要求11所述的角度传感器，其中，每个电极包括具有至少两对叉指式差分子电极的子电极组。

14.根据权利要求11所述的角度传感器，其中，每个子电极对的所述两个子电极被布置为接收或发射相对于彼此异相180度的差分信号。

15.根据权利要求5所述的角度传感器，其中，所述第一频率参考包括原子频率参考、或恒温晶体振荡器或温度控制晶体振荡器。

16.根据权利要求15所述的角度传感器，其中，所述原子频率参考是基于铷、铯或氢或锶的时钟。

17.根据权利要求15所述的角度传感器，其中，所述原子频率参考是芯片级原子时钟。

18.根据权利要求5所述的角度传感器，其中，所述第一相位控制电路被配置为通过调节所述第一法向模态的固有频率来将第一相位校正信号施加到所述科里奥利振动陀螺仪谐振器。

19.根据权利要求5所述的角度传感器，其中，所述第一相位控制电路被配置为通过向所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的第一调谐电极施加偏置电压来调节所述第一法向模态的固有频率。

20.根据权利要求5所述的角度传感器，其中，所述第二相位控制电路被配置为通过向所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的第二调谐电极施加偏置电压来调节所述第二法向模态的固有频率。

21.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为以19位的分辨率生成所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的真实角速率与所述粗略测量值之间的差的测量值。

22.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述粗略读出电路被配置为以19位的分辨率生成所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的真实角速率与所述粗略测量值之间的差的测量值。

23.根据权利要求22所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为以19位的分辨率生成所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的真实角速率与所述粗略测量值之间的差的测量值。

24.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述粗略读出电路被配置为驱动所述第一对法向模态，使得第一法向模态的运动幅度是所述第二法向模态的运动幅度的大约10倍。

25.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述粗略读出电路被配置为驱动所述第一对法向模态，使得第一法向模态的运动相位与所述第二法向模态的运动相位相差大约90度。

26.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为驱动所述第二对法向模态，使得所述第三法向模态的运动幅度是所述第四法向模态的运动幅度的大约10倍。

27.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为驱动所述第二对法向模态，使得所述第三法向模态的运动相位与所述第四法向模态的运动相位相差大约90度。

28.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为以第一驱动频率驱动所述第三法向模态，并且以第二驱动频率驱动所述第四法向模态，并且

其中，所述精细读出电路被配置为通过以下方式来导出所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的真实角速率与所述粗略测量值之间的差的测量值：调节所述第一驱动频率和所述第二驱动频率，使得所述第一驱动频率与所述第二驱动频率之间的差与所述粗略测量值成比例。

29.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为通过以下方式来导出所述科里奥利振动陀螺仪谐振器的真实角速率与所述粗略测量值之间的差的测量值：调节所述第三法向模态的固有频率和所述第四法向模态的固有频率，使得所述第三法向模态的固有频率与所述第四法向模态的固有频率之间的差与所述粗略测量值成比例。

30.根据权利要求4所述的角度传感器，其中，所述精细读出电路被配置为通过调节施加到耦合到所述第三法向模态的调谐电极的偏置电压，来调节所述第三法向模态的固有频率。

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