CN116892918A - Mems陀螺仪启动过程和电路 - Google Patents

Abstract

本公开涉及MEMS陀螺仪启动过程和电路。在微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动时，驱动信号被抑制，并且任何残余机械振荡的相位、频率和幅度被感测并被处理以确定用于启动的过程路径。在残余机械振荡的感测频率是杂散模式频率并且残余机械振荡的品质因数足够的情况下，将反相信号作为MEMS陀螺仪驱动信号来施加，以便实现残余机械振荡的主动衰减。然后可以执行突跳阶段以发起振荡。此外，在残余机械振荡的感测频率是具有足够驱动能量的谐振模式频率的情况下，将具有锁相环频率控制和由驱动能量控制的幅度的正交相位信号作为MEMS陀螺仪驱动信号来施加，以便引发受控振荡。

Description

MEMS陀螺仪启动过程和电路

技术领域

本发明一般涉及陀螺仪类型的微机电系统(MEMS)传感器，并且具体地涉及用于确保驱动块以期望谐振模式振荡的启动过程。

背景技术

电容式微机电系统(MEMS)陀螺仪传感器是一种复杂的机电结构，其包括两个移动块，这两个块相对于定子主体是可移动的并且彼此耦合以具有相对的自由度。两个移动块都电容耦合到定子主体。移动块中的第一移动块(被称为驱动块)专用于驱动并被保持处于谐振频率的振荡中。移动块中的第二移动块(被称为传感块)由于耦合到驱动块而在振荡运动中被拉动。在结构相对于预定陀螺仪轴以角速度旋转的情况下，传感块受到与角速度本身成比例的科里奥利力。相对于感测块的电容变化被感测以检测角运动(旋转)。

因为MEMS陀螺仪是耦合的弹簧-质量-阻尼器系统，所以它本质上具有多个谐振模式。这由图1示出，图1图示了作为示例MEMS陀螺仪的频率的函数的驱动块幅度响应的图表，其中每个峰值2指示在对应的固有谐振频率处的固有谐振模式。MEMS陀螺仪的启动需要进行仔细控制，以便确保驱动块在正常功能模式下以多个固有谐振模式的期望谐振模式(例如，参考2a)的谐振频率或接近该频率振荡。期望谐振模式例如可以是反相驱动模式，期望其最小化由于感测块的共模跨线性运动所引起的速率输出误差。

MEMS陀螺仪操作的另一个问题是振荡频率对振荡幅度具有依赖性。在驱动块的较高激励水平下，峰值频率发生偏移，并且幅度和频率之间的函数关系不再是单值函数。这在本领域中被称为杜芬(duffing)效应并且在图2的图表中被图示，图2绘制了针对多个振荡幅度的振荡频率响应。例如，对于振荡幅度4a-4c，幅度和频率之间存在单值函数关系(请注意，随着振荡幅度的增加，峰值频率偏移低于谐振频率8)。然而，对于驱动幅度4d，响应表现出频率滞后和不稳定操作，其中振荡可以在两个不同频率6a、6b处和/或在其之间具有从谐振频率8偏移的值。振荡的幅度必须在MEMS陀螺仪的启动期间被控制，以便确保避免存在振荡频率滞后的不稳定操作区域8a。

美国专利号11,162,790(通过引用并入本文)教导了一种用于MEMS陀螺仪启动的过程，其包括图3中所示的步骤。

在被称为减弱阶段的启动过程的第一阶段50中，没有通过MEMS驱动信号施加驱动力并且实施延迟以允许MEMS陀螺仪的驱动块和感测块的任何残余机械振荡衰减(dampen)(即消散(dissipate)或减弱(quiet)下来)。就此而言，驱动块和感测块的减弱是指振荡幅度的减小。监测驱动块的振荡，并且延迟进一步的启动动作，直到感测振荡幅度(sensedoscillation amplitude)已经减弱到至少期望的程度(即，振荡幅度衰退到最小或可忽略的水平)。例如，当驱动块的感测振荡幅度处于或低于减弱阈值幅度时，减弱条件可以被满足。

在被称为突跳(kicking)阶段的启动的第二阶段52中，驱动块由驱动信号驱动，该驱动信号具有固定幅度并且在初始频率处的突跳频率被选择为接近MEMS陀螺仪的驱动块的机械振荡的多个固有谐振模式中的期望谐振模式的先验未知实际谐振频率。然后改变驱动信号的突跳频率(例如，通过频率扫描操作从初始频率增加或减少)以接近期望谐振模式的频率。参考图1以及多个固有谐振模式(参考2)中的期望谐振模式(参考2a)，选择驱动信号的初始频率，其中频率偏移小于(即低于)与期望谐振模式相关联的谐振频率(处于大约20kHz)。驱动信号的突跳频率的变化因此从初始频率朝向期望谐振模式通过频率步进或频率扫描而增加。替代地，选择驱动信号的初始频率，其中频率偏移大于(即，高于)与期望谐振模式相关联的谐振频率(处于大约20kHz)。驱动信号的突跳频率的变化因此从初始频率朝向期望谐振模式频率通过频率步进或频率扫描而减小。响应于在选定突跳频率处所施加的驱动信号的驱动块的机械振荡的幅度被监测，并且当响应于所施加的驱动信号的变化的突跳频率的机械振荡的感测幅度(sensed amplitude)大于预设幅度阈值时，启动的第二阶段52终止。

在被称为频率跟踪阶段的启动的第三阶段56中，驱动信号被设置为具有固定幅度并且驱动信号的频率被控制为与测量振荡频率(其例如对应于第二阶段结束时的振荡频率)相匹配并且因此维持机械振荡处于或基本上等于多个固有谐振模式中的期望谐振模式的频率。驱动信号的相位通过相对于测量机械振荡相位的90°相移来进行控制，以通过正机电反馈回路来对驱动块进行驱动。该正反馈回路将维持所具有的感测振荡(sensedfrequency)频率处于或接近与期望谐振模式相关联的频率的机械振荡，并且驱动块的位移幅度将由于正反馈而以指数方式增加。驱动块的振荡被监测以感测驱动块的机械振荡的幅度，并且启动的第三阶段56在呈指数增加的感测振荡幅度达到阈值幅度时终止。

在被称为频率跟踪和自动增益控制阶段的启动的第四阶段58中，维持第三阶段的频率跟踪操作(即，驱动信号的频率被保持与测量频率相同，并且驱动信号Ds的相位被控制以维持处于或接近期望频率的振荡)。在差分驱动模式下，驱动力与驱动信号的DC电压和驱动信号的正弦(AC)幅度的乘积成正比。在该第四阶段中，驱动信号的DC电压或驱动信号的AC幅度由负反馈进行增益控制，以使机械振荡驱动块的位移幅度稳定到期望幅度；其中，值得注意且重要的是，幅度不处于存在谐振频率滞后的不稳定操作区域内(参见图2的区域8a)。该幅度控制过程被本领域技术人员广泛已知为自动增益控制(Automatic GainControl，AGC)。然后驱动块的机械振荡被监测以感测振荡幅度、频率和相位；并且由频率跟踪和AGC电路装置使用这些感测特性来维持处于测量频率(其处于或等于期望频率)的机械振荡，并驱动振荡的幅度以满足期望幅度。一旦感测振荡幅度达到期望的恒定幅度，就完全建立了适当的陀螺仪驱动振荡，并且启动过程结束。此后，在进行角速率测量的正常功能操作模式期间，频率跟踪和AGC将在陀螺仪的整个操作时间内继续工作。

在本领域中需要在控制MEMS陀螺仪传感器的启动方面进行进一步开发。

发明内容

在一个实施例中，一种用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动的方法，包括：不向MEMS陀螺仪施加驱动信号；在未施加驱动信号时，感测MEMS陀螺仪的残余机械振荡的相位、频率和幅度；确定残余机械振荡的感测频率是偏离期望谐振模式的谐振频率的杂散模式频率；根据残余机械振荡的感测幅度来确定残余机械振荡的品质因数；当感测频率是杂散模式频率并且所确定的品质因数超过品质因数阈值时，则：将反相信号作为驱动信号施加到MEMS陀螺仪，该反相信号具有与感测频率相对应的频率，以及与残余机械振荡的感测相位(sensed phase)异相180°的相位。

一个实施例还包括被配置为实现前述方法的用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动控制器。

在一个实施例中，一种用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动的方法，包括：不向MEMS陀螺仪施加驱动信号；在未施加驱动信号时，感测MEMS陀螺仪的残余机械振荡的相位、频率和幅度；确定残余机械振荡的感测频率是与期望谐振模式的谐振频率相对应的谐振模式频率；根据残余机械振荡的感测幅度来确定残余机械振荡的驱动能量；并且当感测频率是谐振模式频率并且所确定的驱动能量在第一范围内时，则：将第一信号作为驱动信号施加到MEMS陀螺仪以引发机械振荡，所述第一信号具有与所述感测频率相对应的频率、与感测相位异相90°的相位，以及放大的幅度。

一个实施例还包括被配置为实现前述方法的用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动控制器。

在一个实施例中，一种用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动的方法，包括：不向MEMS陀螺仪施加驱动信号；在未施加驱动信号时，感测MEMS陀螺仪的残余机械振荡的相位、频率和幅度；确定残余机械振荡的感测频率是与期望谐振模式的谐振频率相对应的谐振模式频率；根据残余机械振荡的感测幅度来确定残余机械振荡的驱动能量；并且当感测频率是谐振模式频率并且所确定的驱动能量在第二范围内时，则：将第二信号作为驱动信号施加到MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第二信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与感测相位异相90°的相位，以及作为用于所述驱动信号的信号驱动器的最大幅度的幅度。

一个实施例还包括被配置为实现前述方法的用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动控制器。

在一个实施例中，一种用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动的方法，包括：不向MEMS陀螺仪施加驱动信号；在未施加驱动信号时，感测MEMS陀螺仪的残余机械振荡的相位、频率和幅度；确定残余机械振荡的感测频率是与期望谐振模式的谐振频率相对应的谐振模式频率；根据残余机械振荡的感测幅度来确定残余机械振荡的驱动能量；并且当感测频率是谐振模式频率并且所确定的驱动能量在第三范围内时，则：将第三信号作为驱动信号施加到MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第三信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与感测相位异相90°的相位，以及响应于感测幅度而被自动增益控制的幅度。

一个实施例还包括被配置为实现前述方法的用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动控制器。

在一个实施例中，一种用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动的方法，包括：使MEMS陀螺仪的残余机械振荡减弱；将突跳信号作为驱动信号施加到MEMS陀螺仪以开始机械振荡；感测机械振荡的相位、频率和幅度；将第一信号作为驱动信号施加到MEMS陀螺仪以引发机械振荡，所述第一信号具有与所述感测频率相对应的频率、与感测相位异相90°的相位，以及放大的幅度；感测锁相环的锁定；然后将第二信号作为驱动信号施加到MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第二信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与感测相位异相90°的相位，以及作为用于所述驱动信号的信号驱动器的最大幅度的幅度；感测残余机械振荡的感测幅度的增加超过幅度阈值水平；然后将第三信号作为驱动信号施加到MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第三信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与感测相位异相90°的相位，以及响应于感测幅度而被自动增益控制的幅度。

一个实施例还包括被配置为实现前述方法的用于微机电系统(MEMS)陀螺仪的启动控制器。

附图说明

为了更好地理解实施例，现在将仅通过示例的方式对附图进行参考，在附图中：

图1示出了示例MEMS陀螺仪的作为频率函数的驱动块幅度响应的曲线图；

图2绘制了多个驱动幅度的振荡频率响应；

图3示出了根据美国专利号11,162,790的教导的启动过程的流程图；

图4是MEMS陀螺仪传感器的框图；

图5A-图5B示出了启动过程的流程图；

图6以图表方式图示了其中执行MEMS振荡的主动衰减的启动过程的一部分；和

图7示出了包括启动功能性的驱动电路的框图。

具体实施方式

图4示出了MEMS陀螺仪传感器10的框图。传感器10包括具有定子主体的MEMS微结构12、驱动块14和感测块16。为了简单起见，MEMS微结构12图示了单轴陀螺仪的情况，其中仅存在一个感测块16，但是配置和操作同样适用于具有多个感测块的多轴陀螺仪。驱动块14被弹性地约束到定子主体并且被控制以根据由X轴(也称为驱动轴)所示的一个自由度而围绕静止位置振荡。就此而言，驱动块和定子主体定义了谐振机械系统，该系统展现出具有对应的固有谐振频率的多个固有谐振模式。感测块16机械耦合到驱动块14并且将根据相同的自由度(即，在X轴上)被驱动运动。此外，感测块16弹性耦合到驱动块14并且可以根据由Y轴(也称为感测轴)所示的另一自由度相对于驱动块依次振荡。当Z轴上的旋转速率被施加到微结构12时，被引发的科里奥利力将导致感测块16在Y轴上振荡。

驱动块14和感测块16电容耦合到定子主体。特别地，驱动块14通过连接到驱动致动电极的一组驱动电容器20和连接到驱动感测电极的一组驱动感测电容器22而电容耦合到定子主体。驱动电容器20被配置为通过施加静电力来响应于所施加的差分振荡驱动信号Ds，以引发移动块在X轴上的振荡移动。驱动感测电容器22被配置成使得它们的电容以不同的方式取决于驱动块14相对于定子主体相对于X轴的位置，并且因此由感测电容器24所生成的信号指示驱动块14相对于X轴的移动。感测块16通过连接到感测电极的一组感测电容器24而电容耦合到定子主体。感测电容器24被配置成使得它们的电容以不同的方式取决于感测块16相对于定子主体相对于Y轴的位置，并且因此由感测电容器24所生成的信号指示相对于Y轴的移动。

专用集成电路(ASIC)电连接到MEMS微结构12。传感器10的ASIC包括驱动电路30，驱动电路30具有输入和输出，该输入耦合到驱动感测电容器22的驱动感测电极以接收差分驱动感测信号Dss(其指示驱动块14的机械振荡幅度和频率)，该输出耦合到驱动电容器20的驱动致动电极以施加驱动信号Ds(其被用来施加驱动力，该驱动力引发在多个固有谐振频率中的期望谐振频率处或附近的驱动块振荡)。这种反馈耦合形成振荡微机电回路，该回路被配置为维持驱动块14振荡在期望谐振频率处或基本上接近期望谐振频率并且具有受控幅度。传感器10的ASIC还包括感测电路40，感测电路40具有耦合到驱动感测电容器22的驱动感测电极的第一输入和耦合到感测电容器24的感测电极的第二输入。感测电路40接收由感测电容器24生成并指示感测块16相对于Y轴的位移的差分感测信号Ss，响应于由驱动感测电容器22生成的差分驱动感测信号Dss来解调差分感测信号Ss，并作为该解调的结果输出指示感测角速度的信号(AVout)。

因为其不是本发明的关注点，所以省略了关于感测块16的正交误差补偿控制的细节。正交误差补偿技术是本领域技术人员所熟知的。

如先前所指出，当启动MEMS陀螺仪传感器10时，重要的是确保驱动块将以对应于(即，接近或等于)多个固有谐振模式的期望谐振模式的谐振频率的频率进行振荡。期望谐振模式例如可以是反相驱动模式(anti-phase drive mode)。更进一步，重要的是在启动时确保控制振荡幅度以避免存在频率滞后的不稳定操作区域。尽快完成启动过程也很重要。ASIC的驱动电路30因此包括启动电路32，其快速操作以确保驱动块的适当的谐振频率振荡和幅度。

现在对图5A-图5B进行参考，其示出了由启动电路32实现的启动过程的流程图。

在被称为空闲阶段的启动过程的第一阶段100中，驱动电路30没有通过驱动信号Ds施加驱动力。实施延迟(例如，预设持续时间的)以允许MEMS微结构12的移动块14和16的任何残余机械振荡衰减(即，消散或减弱下来)。在此延迟时间期间，驱动电路30的启动电路32可以通过差分驱动感测信号Dss监测驱动块的机械振荡，并基于感测到的驱动块振荡状态对启动过程采取特定动作。

如果在用于被监测的机械振荡的差分驱动感测信号Dss中检测到残余音调(tone)(步骤100a-“是”)，并且检测到的残余音调不处于(或充分接近)期望谐振模式的谐振频率(即，它是杂散模式频率)(步骤100b-“否”)，则驱动电路30的启动电路32将继续不通过驱动信号Ds施加驱动力(即，驱动信号Ds被抑制)，并且因此允许还是使机械振荡发生衰减。

启动电路32将同时还评估感测到的杂散模式残余音调的品质因数(Q)。该评估包括例如利用根据幅度的衰退率计算出的Q因数，而在固定时间间隔内对杂散模式残余音调的幅度进行感测和数字化。

在感测到的杂散模式残余音调具有低品质因数(Q)的情况下，例如小于Q因数阈值水平(步骤100c-“低”)，则启动电路32将施加固定持续时间延迟(步骤100d)以等待机械振荡衰减被完成，然后自动将操作过渡到启动过程的第二阶段102(步骤100e)。替代地，步骤100d到启动过程的第二阶段102的过渡可以以感测机械振荡幅度衰退到小于衰减阈值为条件。

相反，如果感测到的杂散模式残余音调具有高品质因数(Q)，例如大于Q因数阈值水平(步骤100c-“高”)，则驱动电路30的启动电路32将用于驱动信号Ds的反相激励信号(步骤100f)施加到MEMS微结构12。反相激励信号具有被选择来引起对MEMS微结构12的移动块14和16的残余机械振荡的衰减的加速的幅度、频率和相位。例如，驱动信号Ds被设置为具有固定幅度，并且驱动信号Ds的频率被控制为与感测到的杂散模式残余音调的振荡频率匹配(即，与从差分驱动感测信号Dss中检测到的残余机械振荡频率匹配)。反相激励驱动信号Ds的相位被驱动电路30控制为与残余机械振荡的相位异相180°。反相激励信号的施加将使残余机械振荡朝向零主动衰减(参见图6，用于响应于反相激励信号对残余机械振荡的主动衰减的图示)。在反相激励信号的施加完成之后，操作过渡到启动过程的第二阶段102(步骤100e)。

在一个实施例中，驱动信号Ds的反相激励信号被生成为包括预设的(例如，可编程的)脉冲数，并且因此也具有固定的主动衰减持续时间。替代地，生成用于驱动信号Ds的反相激励信号直到感测机械振荡幅度小于衰减阈值。

如果在差分驱动感测信号Dss中检测到残余音调(步骤100a-“是”)，并且检测到的残余音调处于(或足够接近)期望谐振模式的谐振频率(步骤100b-“是”)，则根据感测机械振荡幅度来对存在的驱动能量的量进行评估。可以针对任何数量的不同驱动能量水平或范围进行这种评估。在示例实施例中，评估三个驱动能量水平或范围(较高、中等和较低)。

如果检测到的残余音调具有根据感测机械振荡幅度的第三(较高)量的驱动能量(步骤100h)，则操作过渡到启动过程的第五阶段108(步骤100i)。在此上下文中，当感测机械振荡幅度落在第三(较高)幅度范围内时，满足步骤100h。否则，对谐振模式音调的驱动能量的量的评估过渡到下一个范围(步骤110h-“否”)。

如果检测到的残余音调具有根据感测机械振荡幅度的第二(中等)量的驱动能量(步骤100j)，则操作过渡到启动过程的第四阶段106(步骤100k)。在此上下文中，当感测机械振荡幅度落在第二(中等)幅度范围内(低于第三幅度范围)时，满足步骤100j。否则，对谐振模式音调的驱动能量的量的评估过渡到下一个范围(步骤110j——“否”)。

如果检测到的残余音调具有根据感测机械振荡幅度的第一(较低)量的驱动能量(步骤100m-“是”)，则操作过渡到启动过程的第三阶段104(步骤100n)。在此上下文中，当感测机械振荡幅度落在第一(较低)幅度范围内(低于第二幅度范围)时，满足步骤100m。在不满足步骤100m的范围的情况下，该过程可以过渡到启动过程的第二阶段102(步骤100e；注意该路径未被明确示出)。

如果在差分驱动感测信号Dss中没有检测到明显的残余音调并且差分驱动感测信号Dss中的驱动能量小于某个阈值能量水平(步骤100a-“否”；例如，其中驱动能量不满足与步骤100h、100j或100m相关联的任何范围)，那么移动块14和16的残余机械振荡可能被充分衰减(或不存在)并且操作过渡到启动过程的第二阶段102(步骤100e)。

在被称为启动阶段的启动的第二阶段102中，驱动电路30的启动电路32为驱动信号Ds生成具有固定突跳幅度和固定突跳频率的突跳信号。在一个实施例中，(例如，通过作为校准的结果的微调操作)固定突跳频率被选择为接近(高于或低于)MEMS微结构12的驱动块14的机械振荡的多个固有谐振模式的期望谐振模式的实际谐振频率。驱动信号Ds的突跳信号被生成以包括预设(例如，可编程)脉冲数，并且因此也具有固定突跳持续时间。在一个实施例中，固定跳动幅度可以是驱动电路30能够为驱动信号Ds输出的最大信号幅度。一旦驱动信号Ds的突跳信号的生成完成(即，一旦固定突跳持续时间期满)，操作过渡到启动过程的第三阶段104。

将注意到，具有突跳的启动的第二阶段102针对突跳信号使用固定频率，并且因此不同于图3中的启动的第二阶段52，其中可变(步进或扫描)频率由突跳信号使用。此外，在第二阶段102中施加突跳信号的持续时间受到固定时间段的限制。

在被称为90°相移驱动阶段的启动的第三阶段104中，驱动电路30通过差分驱动感测信号Dss来感测机械振荡，并生成具有幅度的驱动信号Ds，该幅度是差分驱动感测信号Dss中反映的感测机械振荡的幅度的倍数(例如，四倍)。驱动信号Ds将具有与差分驱动感测信号Dss的频率相对应的频率，但是驱动信号Ds的相位被控制为相对于机械振荡的相位有90°相移，以便利用正机电反馈回路来对驱动块进行驱动。这个正反馈回路将维持驱动块的机械振荡。然后进行测试以检测驱动电路30内的锁相环(PLL)电路是否在锁定时间段内相对于参考频率(Ref)达到相位和频率锁定。参考频率可以例如在关于期望谐振模式的谐振频率的特定频率范围内。如果在锁定时间段内达到锁定，则操作过渡到启动过程的第四阶段106。否则，生成锁定错误信号。

在被称为PLL时钟驱动阶段的启动的第四阶段106中，驱动电路30生成具有最大幅度水平的驱动信号Ds，其中频率由PLL电路控制。在这里，最大幅度水平指用于信号Ds的信号驱动器可以产生的最大幅度。再次，驱动信号Ds的相位被控制为相对于测量机械振荡的相位有90°相移，从而利用正机电反馈回路来对驱动块进行驱动，并且驱动块的位移幅度将由于正反馈而以指数方式增加。驱动块的振荡被监测以通过差分驱动感测信号Dss感测驱动块的机械振荡的幅度。将感测到的呈指数增加的幅度与第一阈值幅度水平进行比较(例如，该第一阈值幅度水平可以被设置在第二幅度范围内(步骤100j))。当达到第一阈值幅度水平时，操作过渡到启动过程的第五阶段108。

在被称为自动增益控制(AGC)阶段的启动的第五阶段108中，维持第四阶段的频率跟踪操作(即，驱动信号的频率由PLL电路调节到参考频率，并且驱动信号Ds的相位被控制为相对于测量机械振荡的相位有90°的相移)。在差分驱动模式中，驱动力取决于驱动信号Ds的幅度。该幅度由负反馈进行增益控制，以使机械振荡驱动块的位移幅度稳定到期望幅度；其中值得注意且重要的是，幅度不处于存在谐振频率滞后的不稳定操作区域内(参见图2的区域8a)。该幅度控制过程被本领域技术人员广泛已知为自动增益控制(AGC)。然后驱动块的机械振荡被监测以感测振荡幅度、频率和相位；并且这些感测特性被比例积分(proportional-integral，PI)控制回路中的相位/频率跟踪、PLL和AGC电路使用，以维持测量频率(其处于或等于期望频率)的机械振荡，并驱动振荡的幅度以满足期望幅度(无duffing)。一旦感测振荡的幅度达到第二阈值(或目标)幅度水平(例如，该第二阈值幅度水平可以被设置为大于第一阈值幅度水平并且在第三幅度范围内(步骤100h))，适当的陀螺仪驱动振荡被完全建立，并且启动过程结束，进一步的操作过渡到正交控制和自测试。此后，频率跟踪和AGC将在陀螺仪的整个操作时间内在使用感测电路40进行角速率测量的正常功能操作模式期间继续工作。

图5A-图5B的启动过程响应于电力中断场景而比其他启动过程(如图3的启动过程)具有许多优势。通过步骤100a和100b的过程路径允许系统在重新启动时利用处于或大约为期望谐振模式的谐振频率的MEMS的残余能量，以在启动过程期间快速移动到第三、第四或第五阶段104、106、108并因此绕过与空闲阶段和突跳阶段相关联的时间延迟。此外，即使在通过步骤100a、100b和100c的过程路径以杂散频率检测MEMS的残余能量的情况下，在重新启动时应用主动衰减的步骤100f操作将显著缩短空闲阶段100中花费的时间并允许更快地发生进入到突跳阶段102。因此，启动过程在重启后动态地响应于MEMS的残余能量，以选择最具时间效率的启动过程路径。

本文所描述的启动过程有利地：a)在适当时使用主动衰减动作以确保MEMS从减弱状态启动，其中避免了可能不利地影响在期望谐振模式处或附近达成振荡的未知运动；b)通过消除锁定到不想要的寄生模式的风险来确保MEMS在与期望谐振模式相对应的驱动模式下振荡；以及c)通过在重启时考虑残余振荡状态并根据该状态来控制启动过程，智能地将启动时间段的长度最小化。

现在对图7进行参考，其示出了包括启动电路32功能性的驱动电路30的框图。应当理解，这只是可以实现图5A-图5B的启动过程的驱动电路30的电路装置的一个示例。驱动电路30包括模拟前端(AFE)电路，该AFE电路具有耦合到驱动感测电容器22的输入以接收差分驱动感测信号Dss(其指示驱动块振荡幅度、频率和相位)。AFE电路生成模拟正弦信号120，模拟正弦信号120以MEMS微结构12的驱动块14的机械振荡频率振荡。AFE电路可以包括例如电荷到电压(C2V)转换器电路，该C2V转换器电路操作以将驱动感测电容器22上感测到的差分电荷进行转换，以输出用于模拟正弦信号120的对应模拟电压信号，其指示驱动块的振荡运动。

模拟正弦信号120被输入到模拟信号处理电路，该模拟信号处理电路将模拟正弦信号120转换成时钟信号122，时钟信号122的频率对应于驱动块14的机械振荡的频率。频率检测和锁相环(PLL)电路处理时钟信号122以生成相位/频率信号124，相位/频率信号124包括关于驱动块14的机械振荡的测量相位的信息并且包括关于驱动块14的机械振荡的测量频率的信息。当获得对频率参考(Ref)的相位/频率锁定时，PLL电路将进一步输出锁定信号(Lk)。移相电路将测量相位信号偏移90°以生成正交相移信号126。该电路的PLL可以用于控制相位/频率信号124以与参考信号Ref的相位和频率匹配。

模拟处理电路还使用解调时钟信号对模拟正弦信号120进行解调，以输出具有与机械振荡的幅度相对应的电压的模拟幅度信号128。模拟幅度信号128在幅度检测电路中进行处理，该幅度检测电路包括模数转换器(ADC)电路，该数转换器(ADC)电路生成数字幅度信号，该数字幅度信号被数字滤波以输出振荡幅度信号130，振荡幅度信号130指定响应于所施加的驱动信号Ds而产生的驱动块14的机械振荡的测量幅度。

启动控制器电路接收相位/频率信号124，该相位/频率信号124提供关于驱动块14的机械振荡的测量相位和测量频率的信息，并且接收振荡幅度信号130，该振荡幅度信号130提供关于MEMS微结构12的机械振荡的检测幅度的信息。启动控制器电路生成选择信号136，该选择信号136被应用于控制由多路复用器电路138执行的选择操作。多路复用器电路138具有：第一输入，被配置为接收由第一相位驱动电路生成的驱动信号；第二输入，被配置为接收由第二相位驱动电路生成的驱动信号；第三输入，被配置为接收由第三相位驱动电路生成的驱动信号；第四输入，被配置为接收由第四相位驱动电路生成的驱动信号；以及第五输入，被配置为接收由第五相位驱动电路生成的驱动信号。用于多路复用器选择的选择信号136的值根据启动过程(参见图5A-图5B)取决于相位/频率信号124和振荡幅度信号130来生成。响应于所选择的驱动信号，驱动信号Ds从多路复用器电路138输出并且被施加到MEMS微结构12。

第一相位驱动电路与启动过程的第一阶段100的操作的步骤100f相关联，用于为驱动信号Ds施加反相激励驱动信号。通过移相电路和反相电路的使用，将相位/频率信号124的相位偏移180°，并且驱动信号由第一相位驱动电路生成并被施加到多路复用电路138的输入。由多路复用器电路138响应于选择信号136而选择性地传递该180°相移(反相)驱动信号，并且该180°相移(反相)驱动信号结合主动衰减操作的实现而作为驱动信号Ds被施加到MEMS微结构12，以终止移动块14和16的残余机械振荡。

第二相位驱动电路与启动过程操作的第二阶段102相关联，用于为驱动信号Ds施加突跳信号。振荡器电路被用来生成具有固定突跳幅度和固定突跳频率的振荡信号，并且驱动信号由第二相位驱动电路生成并被施加到多路复用器电路138的输入。由多路复用器电路138响应于选择信号136而选择性地传递该突跳信号，并且该突跳信号结合在启动期间的突跳阶段的实现而作为驱动信号Ds被施加到MEMS微结构12，以激发移动块14和16的机械振荡。

第三相位驱动电路与启动过程操作的第三阶段104相关联，用于施加具有幅度和频率的驱动信号Ds，该幅度是差分驱动感测信号Dss的幅度的倍数(例如，四倍)，并且该频率对应于差分驱动感测信号Dss的频率。差分驱动感测信号Dss被模拟前端的C2V转换器感测以生成模拟正弦信号120(具有与驱动块14的机械振荡的频率相对应的频率)，其被相位偏移90°并被放大器电路放大以将幅度控制为期望倍数(例如，四倍)，并且驱动信号响应于此而由第三相位驱动电路生成以用于施加到多路复用器电路138的输入。由多路复用器电路138响应于选择信号136而选择性地传递该驱动信号，并且该驱动信号作为驱动信号Ds被施加到MEMS微结构12以将移动块14和16的机械振荡朝向由处于或大约为期望谐振模式的谐振频率的PLL电路的参考频率所设置的频率过渡。当获得相位/频率锁定时，锁定信号Lk由PLL生成。

第四相位驱动电路与启动过程操作的第四阶段106相关联，用于施加频率和相位由频率检测和锁相环电路的PLL控制的、具有最大幅度水平的驱动信号Ds。在这里，最大幅度水平指用于信号Ds的信号驱动器可以产生的最大幅度。正交相移信号126被放大电路放大，该放大电路应用最大放大(例如，远大于与第三相位驱动电路相关联的放大器的放大)，并且驱动信号由第四相位驱动电路生成并被施加到多路复用器电路138的输入。由多路复用器电路138响应于选择信号136而选择性地传递该驱动信号，并且该驱动信号作为驱动信号Ds被施加到MEMS微结构12以引发移动块14和16的机械振荡的幅度的指数增加。

第五相位驱动电路与启动过程操作的第五阶段108相关联，用于施加具有由频率检测和锁相环电路的PLL控制的频率和相位的驱动信号Ds。自动增益控制电路将指示移动块14和16的机械振荡的幅度的振荡幅度信号130与参考幅度进行比较，并以负反馈的方式控制驱动信号的幅度，并且驱动信号由第五相位驱动电路生成并被施加到多路复用器电路138的输入。由多路复用器电路138响应于选择信号136而选择性地传递该驱动信号，并且该驱动信号作为驱动信号Ds被施加到MEMS微结构12以提供频率跟踪和自动增益控制。

用于实现由启动电路32提供的启动过程的驱动电路30的电路装置的操作如下：

在启动过程的第一阶段100中，由启动控制器电路输出的选择信号136控制多路复用器电路138不选择任何输入，使得没有驱动力(即，MEMS微结构12的驱动信号Ds为空)被施加到驱动块14。在没有驱动力的情况下，MEMS微结构12的移动块14和16的任何残余机械振荡将衰退。启动控制器电路然后结合执行步骤100a、100b、100h、100j和100m的测试以及在步骤100c中对Q因数的确定，可以监测振荡幅度信号130(提供关于残余机械振荡的检测幅度的信息)并且可以监测相位/频率信号124(提供关于残余机械振荡的检测相位/检测频率的信息)。

启动控制器电路可以确定由相位/频率信号124指示的音调频率是杂散音调(偏离期望谐振模式的频率)(步骤100b-“否”)，并且根据感测幅度进一步评估Q因数，然后为了实施步骤100f，由启动控制器电路输出的选择信号136控制多路复用器电路138选择耦合到第一驱动电路的输入，第一驱动电路被配置为输出驱动信号，该驱动信号处于与感测到的杂散音调的振荡频率匹配的频率，但是通过移相器和反相电路将该驱动信号控制为与残余机械振荡的相位异相180°。作为响应，驱动块14的残余振荡将被主动衰减。启动过程然后移动到第二阶段102。

在启动控制器电路确定由相位/频率信号124指示的音调频率处于(或接近)期望谐振模式的频率(步骤100b-“是”)并且由振荡幅度信号130指示的幅度落在第三幅度范围内(步骤100h-“是”)的情况下，启动过程然后移动到第五阶段108。

在启动控制器电路确定相位/频率信号124处于(或接近)期望谐振模式的频率(步骤100b-“是”)并且由振荡幅度信号130指示的幅度落在第二幅度范围内(步骤100j-“是”)的情况下，启动过程然后移动到第四阶段106。

在启动控制器电路确定相位/频率信号124处于(或接近)期望谐振模式的频率(步骤100b-“是”)并且由振荡幅度信号130指示的幅度落在第一幅度范围内(步骤100m-“是”)的情况下，启动过程然后移动到第三阶段104。

在启动的第二阶段102中，由启动控制器电路输出的选择信号136控制多路复用器电路138选择耦合到第二驱动电路的输入，该第二驱动电路通过突跳振荡器被配置为以突跳频率和突跳幅度输出驱动信号。启动控制器电路在所限制的持续时间(例如由一定数量的连续脉冲来设置)内控制突跳信号的施加。作为响应，驱动块14将开始振荡。启动过程然后移动到第三阶段104。

在启动的第三阶段104中，由启动控制器电路输出的选择信号136控制多路复用器电路138选择耦合到第三驱动电路的输入，该第三驱动电路被配置为输出具有与模拟正弦信号120的频率相对应的频率(即，具有与驱动块14的机械振荡频率相对应的频率)和从模拟正弦信号120的相位偏移90°的相位(即，从驱动块14的机械振荡偏移正交相位)的驱动信号。驱动信号还具有是模拟正弦信号120幅度的固定倍数(例如，四倍)的幅度。作为响应，驱动块14将朝向处于期望谐振频率的振荡过渡。PLL电路的输出提供指示锁定状态的信号Lk(即，当机械振荡的感测频率/感测相位与PLL参考信号Ref频率/相位匹配时)，并且锁定信号Lk由启动控制器电路监测。如果锁定失败，则生成错误信号。当锁定成功时，启动过程移动到第四阶段106。

在启动的第四阶段106中，由启动控制器电路输出的选择信号136控制多路复用器电路138选择耦合到第四驱动电路的输入，该第四驱动电路被配置为输出驱动信号，该驱动信号具有由PLL控制并且与正交相移信号126的相位/频率相对应的相位/频率，并且具有最大幅度水平。作为响应，驱动块14的幅度呈指数增加。启动控制器电路监测振荡幅度信号130(提供关于机械振荡的检测幅度的信息)以检测感测幅度何时增加到满足第一阈值幅度水平的水平，并且响应于此而控制启动过程过渡到第五阶段108。

在启动的第五阶段108中，由启动控制器电路输出的选择信号136控制多路复用器电路138选择耦合到第五驱动电路的输入，该第五驱动电路被配置为输出驱动信号，该驱动信号具有由PLL控制并且与正交相移信号126的相位/频率相对应的相位/频率，并且具有自动增益控制的幅度。启动控制器电路监测振荡幅度信号130(提供关于机械振荡的检测幅度的信息)以将振荡幅度朝向第二阈值幅度水平驱动。响应于感测幅度达到第二阈值幅度水平，启动控制器电路控制从启动过程退出(例如，到校准模式、自测试模式和/或正常陀螺仪感测模式)。

虽然本发明已经在附图和前面的描述中被详细地说明和描述，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其他变型。

Claims (24)

1.一种用于微机电系统MEMS陀螺仪的启动的方法，包括：

不向所述MEMS陀螺仪施加驱动信号；

在未施加所述驱动信号时，感测所述MEMS陀螺仪的残余机械振荡的相位、频率和幅度；

确定所述残余机械振荡的感测频率是偏离期望谐振模式的谐振频率的杂散模式频率；

根据所述残余机械振荡的感测幅度来确定所述残余机械振荡的品质因数；以及

当所述感测频率是所述杂散模式频率并且所确定的所述品质因数超过品质因数阈值时，则：

将反相信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪，所述反相信号的频率对应于所述感测频率并且相位与所述残余机械振荡的感测相位异相180°。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

当所述感测频率是杂散模式频率并且所确定的所述品质因数未超过所述品质因数阈值时，则：

进一步延迟所述不向所述MEMS陀螺仪施加所述驱动信号以允许所述残余机械振荡衰减；以及则：

将突跳信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以发起机械振荡。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述进一步延迟包括以下之一：施加固定持续时间的时间延迟，或等待直到所述残余机械振荡的所述感测幅度衰减到低于衰减阈值的水平。

4.根据权利要求2所述的方法，其中施加所述突跳信号包括施加固定持续时间的时间。

5.根据权利要求2所述的方法，还包括所述突跳信号的以下施加：

将第一信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以引发机械振荡，所述第一信号具有与所述感测频率相对应的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及放大的幅度；

感测所述锁相环的锁定；

然后将第二信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第二信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及作为用于所述驱动信号的信号驱动器的最大幅度的幅度；

感测所述残余机械振荡的所述感测幅度的增加超过幅度阈值水平；以及

然后将第三信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第三信号具有由所述锁相环根据所述参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及响应于所述感测幅度而被自动增益控制的幅度。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述残余机械振荡的所述感测频率是与期望谐振模式的谐振频率相对应的谐振模式频率；

根据所述残余机械振荡的所述感测幅度来确定所述残余机械振荡的驱动能量；以及

当所确定的所述驱动能量在第三范围内时，则：

将第三信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第三信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及响应于所述感测幅度而被自动增益控制的幅度。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

当所确定的所述驱动能量在小于所述第三范围的第二范围内时，则：

将第二信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第二信号具有由所述锁相环根据所述参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及作为用于所述驱动信号的信号驱动器的最大幅度的幅度。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

当所述感测频率是谐振模式频率并且所确定的所述驱动能量在小于所述第二范围的第一范围内时，则：

将第一信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以引发机械振荡，所述第一信号具有与所述感测频率相对应的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及放大的幅度。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述残余机械振荡的所述感测频率是与期望谐振模式的谐振频率相对应的谐振模式频率；

根据所述残余机械振荡的所述感测幅度来确定所述残余机械振荡的驱动能量；以及

当所确定的所述驱动能量在第二范围内时，则：

将第二信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第二信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及作为用于所述驱动信号的信号驱动器的最大幅度的幅度。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

当所述感测频率是谐振模式频率并且所确定的所述驱动能量在小于所述第二范围的第一范围内时，则：

将第一信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第一信号具有与所述感测频率相对应的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及放大的幅度。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述残余机械振荡的所述感测频率是与期望谐振模式的谐振频率相对应的谐振模式频率；以及

将第一信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第一信号具有与所述感测频率相对应的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及放大的幅度。

12.一种用于微机电系统MEMS陀螺仪的启动控制器，被配置为实现根据权利要求1所述的方法。

13.一种用于微机电系统MEMS陀螺仪的启动的方法，包括：

不向所述MEMS陀螺仪施加驱动信号；

在未施加所述驱动信号时，感测所述MEMS陀螺仪的残余机械振荡的相位、频率和幅度；

确定所述残余机械振荡的感测频率是与期望谐振模式的谐振频率相对应的谐振模式频率；

根据所述残余机械振荡的感测幅度来确定所述残余机械振荡的驱动能量；以及

当所述感测频率是谐振模式频率时并且基于所确定的所述驱动能量，将所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪。

14.根据权利要求13所述的方法，当所确定的所述驱动能量在第一范围内时，则：

将第一信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以引发机械振荡，所述第一信号具有与所述感测频率相对应的频率、与感测相位异相90°的相位，以及放大的幅度。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

当所确定的所述驱动能量在大于所述第一范围的第二范围内时，则：

将第二信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第二信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及作为用于所述驱动信号的信号驱动器的最大幅度的幅度。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

当所确定的所述驱动能量在大于所述第二范围的第三范围内时，则：

将第三信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第三信号具有由所述锁相环根据所述参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及响应于所述感测幅度而被自动增益控制的幅度。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括：

当所确定的所述驱动能量在大于所述第一范围的第三范围内时，则：

将第三信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第三信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及响应于所述感测幅度而被自动增益控制的幅度。

18.根据权利要求13所述的方法，当所确定的所述驱动能量在第二范围内时，则：

将第二信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第二信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及作为用于所述驱动信号的信号驱动器的最大幅度的幅度。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

当所确定的所述驱动能量在大于所述第二范围的第三范围内时，则：

将第三信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第三信号具有由所述锁相环根据所述参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及响应于所述感测幅度而被自动增益控制的幅度。

20.根据权利要求13所述的方法，当所确定的所述驱动能量在第三范围内时，则：

将所述第三信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第三信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及响应于所述感测幅度而被自动增益控制的幅度。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

当所确定的所述驱动能量在不同于所述第三范围的第二范围内时，则：

将第二信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第二信号具有由所述锁相环根据所述参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及作为用于所述驱动信号的信号驱动器的最大幅度的幅度。

22.一种用于微机电系统MEMS陀螺仪的启动控制器，被配置为实现根据权利要求13所述的方法。

23.一种用于微机电系统MEMS陀螺仪的启动的方法，包括：

使所述MEMS陀螺仪的残余机械振荡减弱；

将突跳信号作为驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以开始机械振荡；

感测所述机械振荡的相位、频率和幅度；

将第一信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以引发机械振荡，所述第一信号具有与感测频率相对应的频率、与感测相位异相90°的相位，以及放大的幅度；

感测所述锁相环的锁定；

然后将第二信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第二信号具有由锁相环根据参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及作为用于所述驱动信号的信号驱动器的最大幅度的幅度；

感测所述残余机械振荡的感测幅度的增加超过幅度阈值水平；以及

然后将第三信号作为所述驱动信号施加到所述MEMS陀螺仪以控制机械振荡，所述第三信号具有由所述锁相环根据所述参考信号设置的频率、与所述感测相位异相90°的相位，以及响应于所述感测幅度而被自动增益控制的幅度。

24.一种用于微机电系统MEMS陀螺仪的启动控制器，被配置为实现根据权利要求23所述的方法。