CN115900677A - 用于校正陀螺仪解调相位漂移的方法 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及一种用于校正陀螺仪解调相位漂移的方法。陀螺仪传感器单元在输出正交测试信号期间检测解调输出信号和解调信号之间的相位漂移。延迟计算器基于在正交测试信号的施加期间的解调输出信号中的变化来检测相位漂移。延迟补偿电路通过将解调信号延迟相位漂移值来补偿相位漂移。

Description

用于校正陀螺仪解调相位漂移的方法

技术领域

本公开总体上涉及陀螺仪。本公开尤其涉及检测陀螺仪解调中的相位漂移。

背景技术

感测用于运载工具的电子装置的运动通常是有益的。出于这个原因，很多运载工具和电子装置包括惯性传感器。惯性传感器可以包括加速度计和陀螺仪。加速度计可以检测线性运动。陀螺仪可以检测旋转运动。

使用陀螺仪检测运载工具或电子装置的旋转速率可能是相当复杂的。这部分地是由于利用复信号来激励陀螺仪的谐振质量足以感测谐振质量块的旋转运动的事实。从陀螺仪的原始输出信号中精确地提取旋转速率可能是相当困难的。

一个特别复杂的因素是输出信号的正交分量。陀螺仪的原始输出对应于谐振质量块在垂直于谐振质量块的激励方向的感测方向上的振荡。虽然旋转运动将引起感测方向的谐振质量块的振荡，但是正交效应也将有助于感测方向的谐振质量块的振荡。然而，原始输出信号的正交分量是寄生的并且不表示旋转运动。

陀螺仪已经利用的事实是，原始输出信号的正交分量通常与激励或驱动信号同相，而原始输出信号的旋转分量通常与激励或驱动信号90°异相。因此，原始输出信号的旋转分量可以通过提取原始输出信号的与激励或驱动信号90°异相的分量来获得。然而，如果存在与原始输出信号相关联的相位漂移，则提取与驱动信号90°异相的输出信号的分量将不会准确地表示旋转速率。

发明内容

本公开的实施例提供了包括陀螺仪的传感器单元。传感器单元有效且高效地识别陀螺仪的原始输出信号与陀螺仪的驱动信号之间的相位漂移。这是通过将测试电压施加到与陀螺仪的谐振器质量块相邻的正交补偿电极并且在施加测试电压的同时检测陀螺仪的解调输出信号的变化来实现的。在识别出相位漂移之后，在生成解调输出信号时可以考虑相位漂移。解调信号然后将精确地表示原始输出信号的旋转分量。

通过利用驱动信号解调原始输出信号来生成解调信号。解调过程提取原始输出信号中的与驱动信号90度异相的部分。当在施加测试电压时检测到相位漂移时，延迟补偿电路在解调发生之前将延迟插入到驱动信号中。所添加的延迟补偿了相位漂移，有效地消除了相位漂移的负面效果。

测试信号包括第一相位和第二相位。在第一相位中，测试信号具有第一极性。在第二相位中，测试信号具有第二极性。传感器单元检测解调输出信号的在测试信号的第一相位与第二相位之间的差值。该差值指示相位漂移。

附图说明

图1是根据一些实施例的包括具有陀螺仪的传感器单元的电子装置的框图。

图2A和图2B是根据一些实施例的陀螺仪的谐振器质量块的简化图示。

图3是示出根据一些实施例的与陀螺仪相关联的信号的曲线图。

图4是根据一些实施例的表示与陀螺仪的驱动和输出信号相关联的解调平面的曲线图。

图5A和图5B是示出根据一些实施例的在陀螺仪的测试周期期间与陀螺仪的驱动和输出信号相关联的解调平面的曲线图。

图6是示出根据一些实施例的陀螺仪的测试信号的曲线图。

图7是示出根据一些实施例的传感器单元的输出操作的各方面的框图。

图8是根据一些实施例的陀螺仪的一部分的图示。

图9是根据一些实施例的陀螺仪的一部分的图示。

图10是根据一些实施例的陀螺仪的一部分的图示。

图11是示出根据一些实施例的包括陀螺仪的传感器单元的框图。

图12是根据一些实施例的用于操作陀螺仪的方法的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对各种公开的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个这些具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等实践实施例。在其他示例中，没有详细示出或描述与陀螺仪和陀螺仪信号处理相关联的公知结构和处理，以避免不必要地模糊对实施例的描述。此外，与陀螺仪传感器单元相关联的公知的组件和电路没有被详细示出或描述，以避免不必要地模糊对实施例的描述。

除非上下文另有要求，否则在整个说明书和所附权利要求书中，词语“包括”及其变体、例如“包含”和“含有”应被解释为开放的、包括性的含义，即“包括但不限于”。此外，术语“第一”、“第二”和类似的顺序指示符应被解释为可互换的，除非上下文清楚地另外规定。

在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全部指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。

如本说明书和所附权利要求书中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非内容清楚地另外指出。还应当注意，术语“或”通常以其最广泛的意义使用，即，作为“和/或”的含义，除非内容清楚地另外指出。

图1是根据一些实施例的电子装置100的框图。电子装置100包括传感器单元101。传感器单元101包括陀螺仪102。如下面将更详细地阐述的，传感器单元101识别与陀螺仪102的输出信号相关联的相位漂移并且补偿该相位漂移，以便提供施加到电子装置100的旋转速率的准确指示。

电子装置100可以包括运载工具，诸如汽车、飞机、船或其他类型的运载工具。知道运载工具关于一个或多个旋转轴线的训练率通常是非常有益的。在运载工具中，这些旋转轴线可以对应于偏航、翻滚和俯仰。陀螺仪102可以用于检测运载工具围绕这些轴线中的一个或多个轴线的旋转速率。

电子装置100可以包括个人电子装置，诸如智能电话、智能手表、智能眼镜、游戏装置、游戏控制器、平板电脑、膝上型计算机或其他类型的个人电子装置。陀螺仪102可以用于检测电子装置100围绕一个或多个旋转轴线的旋转速率。电子装置100可以包括工业设备或可以从检测旋转速率中受益的其他类型的装置。

陀螺仪102可以对应于微机电系统(MEMS)陀螺仪。mems陀螺仪102可以包括一个或多个可移动质量块，该可移动质量块通过一个或多个弹簧门铰链构件从硅衬底限定并且耦联到硅衬底。mems陀螺仪也可以包括与可移动质量块交织的各种电极。本文描述的实施例主要涉及电容式mems陀螺仪。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，可以根据本公开的原理使用其他类型的陀螺仪。

陀螺仪102包括谐振器质量块104、驱动电极106和感测电极108。如图1所示，谐振器质量块104、驱动电极106和感测电极108被示出为构成陀螺仪102，而与生成信号、感测信号和处理信号相关联的其他组件被示出为在陀螺仪102的外部。然而，实际上，陀螺仪102可以被认为包括传感器单元101的各种其他组件，这些组件将在下面更详细地描述并且被示出为在陀螺仪102的外部。传感器单元101可以作为整体被认为是陀螺仪。

谐振器质量块104可以包括悬挂在衬底上方或以其他方式可移动地耦联到衬底上的质量块。谐振器质量块104被配置成在至少两个方向上振荡。第一振荡方向被称为驱动方向并且对应于第一轴线。第二振荡方向被称为感测方向并且对应于基本垂直于第一轴线的第二轴线。谐振器质量块沿着感测轴线或感测方向的振荡指示谐振器质量块104围绕基本垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线的旋转。

谐振器质量块104可以通过弹簧构件耦联到固定衬底，该弹簧构件允许谐振器质量块沿着驱动轴线来回移动。谐振器质量块104也可以通过弹簧构件耦联到固定衬底，该弹簧构件允许谐振器质量块沿着感测轴线来回移动。虽然图1将谐振器质量块104示出为单个质量块，但是实际上，谐振器质量块104可以包括多个质量块。例如，第一质量块可以通过弹簧构件耦联到第二质量块。第一质量块可以被驱动以沿着驱动轴线振荡。电子装置100围绕旋转轴线(第三轴线)的旋转可以使得第二质量块沿着感测轴线(第二轴线)振荡。在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用谐振器质量块104或多个谐振器质量块104的各种配置。

驱动电极106用于在第二方向上驱动谐振器质量块104。驱动电极106可以对应于具有梳状形状的导电质量块。梳形状的指形件可以与谐振器质量块104的对应的梳状指形件交错。如果电压被施加到谐振器质量块104，则将周期性电压施加到驱动电极可以驱动谐振器质量块104沿着驱动轴线的振荡。在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用驱动电极106的各种其他配置。

感测电极108用于感测谐振器质量块104沿感测轴线的振荡。感测电极108可以对应于梳状形状的导电质量块。梳形状的指形件可以与谐振器质量块104的对应的梳状形状的指形件交错。在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用感测电极108的各种其他配置。

如前所述，如果电子装置100以及相应地所述谐振器质量块104围绕第三旋转轴线旋转，同时谐振器质量块104沿着第一轴线振荡，则由围绕旋转轴线的旋转和沿着第一轴线的振荡产生的科里奥利力将迫使谐振器质量块104沿着第二轴线振荡。因此，谐振器质量块104沿着感测轴线的振荡指示谐振器质量块104围绕旋转轴线的旋转。

传感器单元101包括驱动电压源112。驱动电压源112将驱动电压施加到驱动电极106。驱动电压可以对应于具有选定幅度和频率的AC电压。驱动电压可以是正弦电压、方波电压、锯齿电压或其他类型的AC电压波形。

在恒定速率陀螺仪的示例中，由科里奥利力引起的沿着感测轴线的振荡将具有与驱动信号的振荡相同的频率。然而，沿着感测方向的振荡的幅度指示围绕第三轴线的旋转速率的幅度。振荡的幅度由通过与谐振器质量块104的电容相互作用而在感测电极108处产生的电压来指示。然而，如前所述，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他感测配置。

由感测电极108输出的信号对应于陀螺仪102的原始输出信号。然而，陀螺仪102的原始输出信号本身可能无法准确地指示围绕第三轴线的旋转速率。这是因为在谐振器质量块104处产生的正交效应。尤其，当谐振器质量块104通过被施加到驱动电极106的驱动电压驱动以沿着第一轴线振荡时，谐振器质量块104也可以开始沿着感测轴线振荡，即使不存在围绕旋转轴线的旋转。因此，由于正交效应而引起的振荡可以被认为是寄生振荡，或者基于正交效应的原始输出信号的分量可以被认为是寄生信号。原始输出信号可以是电流或者可以是电压，这取决于陀螺仪102的所选配置。

在一些情况下，由于正交效应引起的原始输出信号的分量可能远大于由于电子装置100围绕旋转轴线的旋转引起的原始输出信号的分量。实际上，来自正交效应的原始输出信号的分量可能比来自科里奥利力的原始输出信号的分量大许多倍。

传感器单元101利用解调器120以便从原始输出信号中提取科里奥利分量。由于原始输出信号由正交分量和科里奥利分量组成，如果可以从原始输出信号中提取科里奥利分量，则可以生成仅与原始输出信号的科里奥利分量相对应的最终输出信号。解调器120从原始输出信号中提取科里奥利分量、并且生成指示围绕旋转轴线的旋转速率的最终输出信号。如本文所用，术语“科里奥利分量”和“旋转分量”可互换使用。

解调器120利用原始输出信号的科里奥利分量与原始输出信号的正交分量90°异相这一事实，以便从正交分量中分离科里奥利分量。此外，在原始输出信号中不存在任何集体相位漂移，正交分量将与驱动信号同相，而科里奥利分量与驱动信号90°异相。因此，解调器120接收驱动信号和原始输出信号并且基于驱动信号执行原始输出信号的解调。尤其，解调器120仅输出原始输出信号中与驱动信号90°异相的那部分。如果在原始输出信号和驱动信号之间没有相位漂移，那么解调器120的输出将仅表示原始输出信号的科里奥利部分。

然而，在一些情况下，在驱动信号和原始输出信号之间存在相位漂移。更具体地，相位漂移可能发生在原始输出信号和基于驱动信号的解调信号之间。解调信号可以具有与驱动信号相同的相位，或者可以最初具有与驱动信号相同的相位。相位漂移对应于角度

正交分量与解调信号异相

科里奥利分量将异相

的值，这取决于相位漂移的方向。即使非常小的相位漂移也会导致解调器120生成非常不准确的最终输出信号。相位漂移可能由温度、机械应力的变化或在传感器单元101的处理期间的变化引起。解调信号是驱动参考信号。如本文所使用的，“解调信号”和“驱动参考信号”可以互换使用。

传感器单元101利用正交补偿电极110、正交补偿驱动器114、延迟计算器116和延迟补偿电路118，以便识别和补偿相位漂移。在一个示例中，正交补偿电极110被定位成邻近谐振器质量块104。正交补偿电极110可以基于所选择的设计特性而用于面内感测轴线(偏航)或面外感测轴线(俯仰和滚转)的两种情况。正交补偿电极110可以用于驱动谐振器质量块104沿着感测轴线的运动，以便补偿或抵消由于沿着驱动轴线驱动谐振器质量块104而产生的自然正交。然而，本公开的原理提供了潜在地更有效方式来利用正交补偿电极110，以便识别和补偿原始输出信号中的相位漂移。

正交补偿驱动器114被配置成将测试信号施加到正交补偿电极110。正交补偿驱动器114在测试周期期间施加测试信号，延迟计算器116在测试周期期间测量解调器120的输出中的变化。延迟计算器116基于测试周期期间解调器120的输出中的变化来计算原始输出信号与解调信号之间的相位漂移值。

在一些实施例中，测试周期具有两个阶段。在第一阶段期间，测试信号具有第一极性。在第二阶段期间，测试信号切换到与第一极性相反的第二极性。在测试周期的两个阶段之间解调器120的输出中的变化指示相位漂移

的幅度。延迟计算器116部分地基于在测试的两个阶段之间解调器120的输出中的变化来计算相位漂移

的值。下面提供了关于相位漂移

的计算的进一步细节。

延迟计算器116将相位延迟值

传递到延迟补偿电路118。延迟补偿电路118还接收基于驱动信号的解调信号。延迟补偿电路118将解调信号延迟相位延迟

的值。延迟补偿电路118将延迟驱动信号传递到解调器120。虽然图1示出相同的信号从驱动电压源传递到延迟补偿电路和驱动电极，但是实际上，驱动电压源可以将驱动信号提供给驱动电极106、并且可以将基于驱动信号的解调信号提供给延迟补偿电路。

因为解调信号现在被延迟了与原始输出信号相同的值

所以原始输出信号的科里奥利分量与延迟的解调信号异相90°。当解调器120对延迟的解调信号和原始输出信号执行解调时，解调器120输出原始输出信号的真实科里奥利分量。因此，解调器120输出精确地指示电子装置100围绕旋转轴线的旋转速率的信号。

图2A是根据一些实施例的陀螺仪102的谐振器质量块104的简化表示。谐振器质量块能够通过弹簧在X方向上振荡，这里弹簧表示为弹簧Kx。谐振器质量块104在X方向上的振荡被电阻Rx衰减。谐振器质量块104能够通过弹簧在Y方向上振荡，这里弹簧表示为弹簧Ky。谐振器质量块104在Y方向上的振荡被电阻Ry衰减。实际上，谐振器质量块104可以包括以各种配置耦联在一起的质量块。

X轴对应于谐振器质量块104的驱动轴线。Y轴对应于谐振器质量块104的感测轴线。Z轴对应于旋转轴线。因此，谐振器质量块104沿感测轴线Y的运动指示谐振器质量块绕旋转轴线Z的旋转速率。

在图2A中，驱动电极(参见图1)驱动谐振器质量块104在X方向上振荡。在图2A中，沿图2A中的y轴线没有振荡。因此，没有围绕旋转轴线Z的旋转速率并且没有沿y轴线的正交运动。不幸的是，实际上，在沿驱动轴线有运动的任何时候，通常沿感测轴线存在正交分量。

图2B示出沿驱动轴线的运动和沿感测轴线的运动。这由在X和Y方向上都具有分量的对角箭头指示。在图2B示例中，没有围绕Z轴线的旋转运动。因此，Y轴线上的所有运动都是正交运动。提供图2A和图2B以示出驱动运动和正交运动的基本概念。

图3是示出根据一些实施例的由陀螺仪102输出的各种信号的曲线图300。曲线图300包括陀螺仪102的原始输出信号302。原始输出信号302本质上是基于由谐振器质量块104相对于感测电极108的正弦运动生成的电容输出信号的正弦曲线。

图3还示出原始输出信号302的正交分量304。如果在解调信号和原始输出信号之间没有相位漂移，则原始输出信号302的正交分量304将与解调信号同相。

图3还示出陀螺仪102的原始输出信号302的科里奥利分量306。科里奥利分量306是原始输出信号的一部分，该部分是在谐振器质量块104被驱动以沿着驱动轴线振荡时由电子装置100围绕旋转轴线旋转的科里奥利力生成的。如果没有相位漂移，则科里奥利分量306将与解调信号异相90°。

原始输出信号302是正交分量304和科里奥利分量306之和。实际上，正交分量304的幅度可以比科里奥利分量306的幅度大许多倍。因此，使用解调信号作为相位参考从正交分量中有效地解调科里奥利分量是非常有益的。

图4是根据一些实施例的与陀螺仪102的原始输出信号和解调信号或驱动信号相关联的解调平面400的曲线图。解调平面400具有两个轴线。第一轴线是在图4中的水平方向上延伸的平行轴线并且用平行符号“＝”标注。第二轴线是在图4中的竖直方向上延伸的垂直轴线并且用垂直符号“┴”标注。在解调平面400中，平行(水平)轴线是与解调信号同相的原始输出信号的分量。垂直(竖直)轴线与解调信号异相90°。

图4示出来自陀螺仪102的原始输出信号的正交分量Q和旋转分量Ω。正交分量Q和原始输出信号Ω彼此异相90°。如前所述，如果没有相位漂移，则正交分量Q将与垂直轴线对准。如果没有相位漂移，则旋转分量Ω将与平行轴线对准。传感器单元101的解调器120输出原始输出信号的平行(水平)分量作为传感器单元101的最终输出信号。因此，如果没有相位漂移，则解调器的输出将完全对应于原始输出信号的旋转分量。

在图4中，存在相位漂移

如图4所示，正交分量Q从垂直轴线偏移相位漂移角

旋转分量Ω从平行轴线偏移相位漂移角

在这种情况下，当解调器120输出平行分量时，平行分量将不能准确地表示旋转分量Ω。虽然图4示出正交分量Q和旋转分量Ω的幅度基本相等，但是实际上，正交分量Q的幅度可以比旋转分量Ω的幅度大许多倍。因此，即使小的相位漂移角

也将导致原始输出信号的旋转分量或科里奥利分量Ω的非常不准确的表示。如本文所使用的，术语“相位漂移”和“相位延迟”可以互换使用。

图5A和图5B是根据一些实施例的在施加测试信号期间与原始输出信号相关联的解调平面500的表示。图5A和图5B的描述将从参考图1开始。图5A示出在测试周期的第一阶段期间的解调平面，在该第一阶段中测试信号被施加到正交补偿电极110。图5B示出在测试周期的第二阶段期间的解调平面，在该第二阶段中测试信号被施加到正交补偿电极110。

在测试周期的第一阶段期间，正交补偿驱动器114施加测试电压-Vt，从而增加相对于转子质量块的电压差。在施加测试电压的第一相位期间，原始输出信号的正交分量将具有自然正交分量Qnat和负正交测试分量-Qtest。实际上，这导致小于自然正交分量Qnat的总正交分量。图5A还示出陀螺仪102的原始输出信号的旋转分量Ω。在图5A中，对于原始输出信号的每个分量存在相位漂移角

在测试周期的阶段1中的解调器120的输出I_PH1是自然正交分量Qnat、负测试正交分量Qtest和科里奥利分量的平行或水平分量的总和。

在测试周期的第二阶段期间，正交补偿驱动器114施加测试电压Vt，从而减小相对于转子质量块的电压差。在施加测试电压的第二阶段期间，原始输出信号的正交分量将具有自然正交Qnat分量和正正交测试分量。实际上，这导致大于自然正交分量Qnat的总正交分量。解调器120的输出I_PH2和测试周期的第二阶段是自然正交分量Qnat、正测试正交分量Qtest和科里奥利分量的平行或水平分量。

延迟计算器116在测试周期的第一和第二阶段期间接收解调器120的输出并且计算相位漂移角

延迟计算器116基于在测试周期的第一和第二阶段之间的解调器120的输出中的变化以及基于正交测试分量的幅度来计算角度

I_PH2由以下关系给出：

I_PH1由以下关系给出：

第一和第二阶段之间的解调器的输出中的差值由以下关系给出：

求解

给出以下：

因为相位漂移角

非常小

所以可以使用小角度关系：

将小角度近似结合到上述方程中产生了相位漂移角

的以下关系：

如上所述，可以基于在测试周期的第一和第二阶段之间的解调器120的输出中的差、以及正交分量的测试分量的幅度，来计算相位漂移角

相位漂移角

可以基于温度、工艺、机械应力和其他因素而变化。然而，延迟计算器116，连同正交补偿驱动器114，可以在任何时间快速和准确地确定相位漂移角

而对陀螺仪102的操作几乎没有或没有中断。

此外，可以利用相对少量的补偿电极110来识别相位漂移角

在利用补偿电极来很大程度上消除原始传感器信号的正交分量的方案中，可以利用非常大量的补偿电极。然而，可以使用相对较少数量的补偿电极110来识别相位漂移角

这可以节省在制造陀螺仪104时的大量面积。

在另一个示例中，通过使用垂直轴线上的信息，可以获得Qtest幅度的更精确估计。虽然Qtest通常可以是相当稳定的，但是在降低二阶效应的情况下，这种估计可能是有益的。在测试周期的第一阶段期间，垂直轴线上的总信号Q_PH1由以下公式给出：

在测试周期的第二阶段期间，垂直轴线上的总信号Q_PH2由以下公式给出：

从Q_PH2减去Q_PH1给出：

因为

通常是非常小的角度，所以可以以下面的方式近似Qtest：

然后可以以下面的方式估计Qtest：

Q_test＝(Q_PH2-Q_PH2)/2。

图6是示出由正交补偿驱动器114施加到正交补偿电极110的测试信号600的曲线图。在时间T0，测试周期的第一阶段从施加具有负极性-Vt的测试电压至补偿电极110开始。在时间T1，测试周期的第二阶段通过将测试信号600的极性切换到正极性Vt而开始。在第一阶段期间，负正交测试电压-Qtest被插入到陀螺仪102的原始输出信号中。在第二阶段期间，将正正交测试分量Qtest插入到陀螺仪102的原始输出信号中。如上所述，延迟计算器116能够测量测试的第一和第二阶段之间的解调器的输出中的差，并且通过将该差除以2*Qtest来计算相位漂移角。

图7是根据一些实施例的传感器单元101的一部分的框图。传感器单元101包括解调器120。解调器120从陀螺仪102接收原始输出信号。解调器120还从延迟补偿电路118接收解调信号。解调信号可以对应于驱动信号。解调器120向输出块124提供解调信号。输出块可以对解调信号执行一些信号处理。输出块将解调信号提供给延迟计算器116。延迟计算器116以上述方式计算相位漂移角

延迟计算器116将相位漂移角值

提供给延迟补偿电路118。延迟补偿电路118接收解调信号，添加等于相位漂移角值

的相位延迟，并且将延迟的解调信号提供给解调器120。解调器120的输出现在对应于原始输出信号的科里奥利分量。

图8是根据一些实施例的陀螺仪102的谐振器质量块104的一部分的图示。图8还示出定位在谐振器质量块104中的间隙中的补偿电极110a和110b。补偿电极110a和110b被固定就位。谐振器质量块104是可移动的。

在图8的示例中，谐振器质量块104由邻近于图8中未示出的谐振器质量块104的另一部分的驱动电极106(未示出)驱动以沿着X轴线振荡。谐振器质量块104具有更靠近补偿电极110a和110b的厚部分和更远离正交补偿电极110a和110b的较薄部分。当谐振器质量块104沿X轴线来回移动时，谐振器质量块104的部分、即直接在两个正交补偿电极110和110b之间的厚部分的面积量也改变。当谐振器质量块沿X轴线向左移动时，面对正交补偿电极110a和110b的厚部分的面积量减小。当谐振器质量块沿X轴线向右移动时，面对正交补偿电极110a和110b的厚部分的面积量增加。

通过向谐振器质量块104施加电压并且然后在每对电极110a和110b之间施加电压，生成正交补偿力。在一个示例中，谐振器质量块104接收10V的电压。在测试的第一阶段期间，电极110a接收4V并且电极110b接收6V。因为在质量块与电极110a之间存在比质量块104与电极110b之间更高的电压差，所以净静电力沿正Y方向被施加到质量块104。在测试周期的第二阶段期间，电极110a与110b之间的极性被切换，使得电极110a接收6V并且电极110b接收4V。结果是净静电力在负Y方向上施加到质量块104。应当注意，因为正交测试力取决于谐振器质量块104的水平位置，所以正交测试力与驱动信号同相。在不脱离本公开的范围的情况下，可以应用其他电压方案以生成正交测试力。

图9是根据一些实施例的陀螺仪102的谐振器质量块104的一部分的俯视图。图9还示出定位在谐振器质量块104中的间隙中的补偿电极110a和110b。补偿电极110a和110b被固定就位。谐振器质量块104是可移动的。图9是面内正交补偿电极110a和110b的示例。

在图9的示例中，谐振器质量块104由邻近于图9中未示出的谐振器质量块104的另一部分的驱动电极106(未示出)驱动以沿着驱动轴线振荡。通过向谐振器质量块104施加电压并且然后在电极组110a与110b之间施加电压，生成正交补偿力。在一个示例中，谐振器质量块104接收10V的电压。在测试的第一阶段期间，电极110a接收4V并且电极110b接收6V。在测试周期的第二阶段期间，电极110a和110b之间的极性被切换，使得电极110a接收6V并且电极110b接收4V。基于谐振器质量块相对于测试电极的几何形状，在两个测试阶段期间在不同方向上生成净静电力。在不脱离本公开的范围的情况下，可以应用其他电压方案以生成正交测试力。

图10是根据一些实施例的陀螺仪102的一部分的截面图。图10还示出处于衬底149上的谐振器质量块下面的补偿电极110a和110b。补偿电极110a和110b被固定就位。谐振器质量块104是可移动的。图10是面外正交补偿电极110a和110b的示例。

在图10的示例中，谐振器质量块104由邻近于图10中未示出的谐振器质量块104的另一部分的驱动电极106(未示出)驱动，以沿着驱动轴线振荡。通过向谐振器质量块104施加电压、并且然后在电极组110a与110b之间施加电压，生成正交补偿力。在一个示例中，谐振器质量块104接收10V的电压。在测试的第一阶段期间，电极110a接收4V并且电极110b接收6V。在测试周期的第二阶段期间，电极110a和110b之间的极性被切换，使得电极110a接收6V并且电极110b接收4V。基于测试电极110a和110b相对于谐振器质量块104的形状的放置，在两个测试阶段期间在不同方向上生成净静电力。在不脱离本公开的范围的情况下，可以应用其他电压方案以生成正交测试力。

图11是根据一些实施例的传感器单元101的示意图。传感器单元101包括驱动MEMS/ASIC 150和感测MEMS/ASIC 152。MEMS/ASIC 150包括驱动电压源112。驱动电压源112将驱动信号施加到驱动电极106。驱动电压源112可以包括用于控制驱动信号的相位的锁相回路。驱动电压源112也可以包括控制驱动信号的幅度的自适应增益控制。驱动电源电压还向延迟补偿电路118提供解调信号。解调信号是具有与驱动信号相同相位的信号，除非发生了漂移。

驱动电极106从驱动电压源112接收驱动信号并且向谐振器质量块104施加静电驱动力。静电驱动力驱动谐振器质量块104以沿着驱动轴线振荡。谐振器质量块104根据机械传递函数振荡。

驱动MEMS/ASIC 150包括将谐振器质量块104的运动转换成电容信号的驱动感测电极156。电容信号被传递到将电容信号转换成电压信号的转换器。电压信号以反馈回路配置被反馈到驱动电压源112中，使得锁相回路和自适应增益控制回路可以控制驱动信号的相位和幅度。

驱动方向上的位移影响感测MEMS/ASIC 152。驱动位移和旋转速率Ω相互作用，以基于谐振器质量块104的驱动位移速度和围绕旋转轴线的旋转速率Ω生成科里奥利力。谐振器质量块104的位移还经由弹簧耦联Kxy 164相互作用，以在感测方向上生成正交力。在生成正交补偿力时，谐振器质量块104的位移还与正交补偿电极110相互作用。正交补偿驱动器114将正交测试信号施加到正交补偿电极110。

概念块168表示在感测方向上作用在感测谐振器质量块160上的所有力的总和。科里奥利力、正交力和正交补偿力都影响感测谐振器质量块160沿感测轴线的运动。感测谐振器质量块通过弹簧耦联到谐振器质量块104。尽管在图11中被示为分离的质量块，但是在一些情况下，感测谐振器质量块160和谐振器质量块140是单个质量块、或者可以有效地充当单个弹簧耦联的质量块。

感测电极108感测谐振器质量块160沿感测轴线的运动。感测电极108生成指示感测谐振器质量块160沿感测轴线的运动的电容信号。电容信号在框170被转换成对应于陀螺仪102的原始输出信号的感测电压信号。原始输出信号被提供给解调器120。

驱动电压源112将解调信号提供给延迟补偿块118。解调信号对应于驱动参考信号。最初，延迟补偿块118可以不向解调信号中添加任何延迟。延迟补偿块118仅仅将解调信号传递到解调器120。在测试阶段期间并且正交补偿驱动器114将测试信号施加到正交补偿电极，如前所述在第一和第二阶段之间切换极性。解调器120解调该解调信号和原始输出信号并且生成解调信号。输出块124可以对解调信号执行一些附加处理。输出块124将解调信号提供给延迟计算器116。延迟计算器116如前所述计算相位漂移

并且将相位漂移角值提供给延迟补偿电路118。延迟补偿电路将解调信号延迟

的值。然后解调器120输出精确地对应于旋转速率Ω的解调信号。

图12是根据一些实施例的用于操作陀螺仪的方法1200的流程图。在1202处，方法1200包括通过将驱动信号施加到驱动电极而在第一方向上驱动陀螺仪的谐振器质量块。在1204处，方法1200包括将测试电压施加到邻近于谐振器质量块的正交补偿电极。在1206处，方法1200包括基于在施加测试电压期间输出信号中的变化确定第一驱动参考信号与陀螺仪的输出信号之间的相位差。在1208处，方法1200包括补偿解调信号与陀螺仪的输出信号之间的相位差。

在一些实施例中，一种方法包括通过向驱动电极施加第一驱动信号并向与谐振器质量块相邻的正交补偿电极施加测试电压来在第一方向上驱动陀螺仪的谐振器质量块。该方法包括基于在施加测试电压期间输出信号中的变化确定第一驱动参考信号与陀螺仪的输出信号之间的相位差以及补偿陀螺仪的驱动信号与输出信号之间的相位差。

在一些实施例中，一种装置包括陀螺仪和解调器，所述解调器具有耦联到所述陀螺仪上的第一输入、第二输入及输出。该装置包括耦联到解调器的输出上的延迟计算器以及耦联到延迟计算器和解调器的第二输入上的延迟补偿电路。

在一些实施例中，陀螺仪传感器单元包括被配置成输出正交测试信号的正交驱动器和被配置成生成原始输出信号的传感器电极。陀螺仪传感器单元包括解调器，解调器被配置成接收原始输出信号和驱动参考信号，并且基于驱动参考信号和原始输出信号生成解调信号。陀螺仪传感器单元包括延迟计算器，延迟计算器被配置成基于在输出正交测试信号期间解调信号中的变化来计算解调信号与驱动参考信号之间的相位漂移值。

上述各种实施例可以组合以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所授权的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

通过将第一驱动信号施加到驱动电极而在第一方向上驱动陀螺仪的谐振器质量块；

将测试电压施加到与所述谐振器质量块相邻的正交补偿电极；

基于在施加所述测试电压期间输出信号中的变化，确定第一驱动参考信号与所述陀螺仪的输出信号之间的相位差；并且

补偿所述第一驱动参考信号与所述陀螺仪的所述输出信号之间的相位差。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

从所述陀螺仪生成原始输出信号；并且

通过基于所述第一驱动参考信号在所述原始输出信号与第二驱动参考信号之间执行相干解调，来生成所述输出信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，补偿所述相位差包括：通过将所述第一驱动参考信号延迟所述相位差来生成所述第二驱动参考信号。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在施加所述测试电压期间反转所述测试电压的极性。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述相位差包括：在反转所述测试信号的所述极性之前和之后测量所述输出信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述相位差包括：

确定所述输出信号的正交分量的测试分量；

在反转所述测试信号的所述极性之后确定所述输出信号中的变化；并且

将所述变化除以所述测试分量的两倍。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述测试分量对应于从所述测试信号产生的所述正交分量的一部分。

8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述原始输出信号表示所述振荡质量块在横向于所述第一方向的第二方向上的振荡。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述输出信号对应于所述原始输出信号的分量，所述原始输出信号的分量表示所述振荡质量块围绕横向于所述第一方向和所述第二方向的第三方向的旋转。

10.一种装置，包括：

陀螺仪；

解调器，具有：

耦联到所述陀螺仪的第一输入；

第二输入；以及

输出；

延迟计算器，耦联到所述解调器的输出；以及

延迟补偿电路，耦联到所述延迟计算器和所述解调器的所述第二输入。

11.根据权利要求10所述的装置，还包括驱动电压源，所述驱动电压源耦联到所述陀螺仪和所述延迟补偿电路。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括正交补偿驱动器，所述正交补偿驱动器耦联到所述陀螺仪。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述正交补偿驱动器被配置成将测试信号施加到所述陀螺仪，所述驱动电源电压被配置成将第一驱动电压提供到所述陀螺仪并且将驱动参考信号提供到所述延迟补偿电路，所述延迟补偿电路被配置成将所述驱动参考信号提供到所述解调器的所述第二输入，并且所述延迟计算器被配置成在所述测试信号施加到所述陀螺仪期间计算所述解调器的输出信号与所述驱动参考信号之间的相位差值。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述延迟补偿电路被配置成将所述驱动参考信号延迟所述相位差值以生成所述驱动参考信号。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述陀螺仪包括被配置成生成所述原始输出信号的感测电极。

16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述测试信号包括具有第一极性的第一相位和具有第二极性的第二相位，其中，所述延迟计算器基于在所述第一相位与所述第二相位之间的所述解调器的所述输出信号中的差值来计算所述相位差值。

17.一种陀螺仪传感器单元，包括：

正交驱动器，被配置成输出正交测试信号；

传感器电极，被配置成生成原始输出信号；

解调器，被配置成接收所述原始输出信号和驱动参考信号，并且基于所述驱动参考信号和所述原始输出信号生成解调信号；以及

延迟计算器，被配置成基于在输出所述正交测试信号期间所述解调信号中的变化，来计算所述解调信号与所述驱动参考信号之间的相位漂移值。

18.根据权利要求17所述的陀螺仪传感器单元，还包括延迟补偿电路，所述延迟补偿电路被配置成为向所述解调器提供所述驱动参考信号，其中所述延迟计算器被配置成将所述相位漂移值传递到所述延迟补偿电路。

19.根据权利要求18所述的陀螺仪传感器单元，还包括：

谐振器质量块；

驱动电极；以及

驱动电压源，被配置成为向所述驱动电极提供驱动信号以驱动所述谐振器质量块的振荡。

20.根据权利要求19所述的陀螺仪传感器单元，其中，所述驱动电压源被配置成向所述延迟补偿电路提供所述驱动信号，其中所述延迟补偿电路被配置成将所述驱动信号延迟所述相位漂移值以生成所述驱动参考信号。

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