DE102016105527A1

DE102016105527A1 - System, Vorrichtung und Verfahren für Resonator- und Coriolisachsensteuerung in Vibrationsgyroskopen

Info

Publication number: DE102016105527A1
Application number: DE102016105527.1A
Authority: DE
Inventors: Ronald Alan Kapusta
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2016-10-13
Also published as: GB201604932D0; CN106052667B; GB2539529A; US20160298965A1; JP6157026B2; GB2539529B; US9709400B2; CN106052667A; JP2016200579A

Abstract

Ein Gyroskop-Steuerkreis für ein Vibrationsgyroskopsystem enthält einen teilrückgekoppelten RSP-Steuerkreis und einen rückgekoppelten CSP-Steuerkreis. Der Gyroskop-Steuerkreis kann optional einen Q-Kompensationsschaltkreis enthalten, um Schwankungen in Gyroskopempfindlichkeit aufgrund von Schwankungen im Resonator-Signalweg-Q zu kompensieren. Der Resonator-Signalweg und der Coriolis-Signalweg können Umwandlungsfaktoren aufweisen, die zueinander proportional sind, sodass die Empfindlichkeit des Gyroskops direkt mit dem Gütefaktor (Q) des Resonator-Signalwegs variiert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vibrationsgyroskope (z. B. MEMS-Vibrationsgyroskope) und insbesondere das Steuern des Resonator-Signalwegs und des Coriolis-Signalwegs in solchen Vibrationsgyroskopen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Vibrationsgyroskopsystem besteht aus einem Sensor (Gyroskop), der zum Erfassen (sense) einer Drehung irgendeiner trägen Masse in Bezug auf einen Bezugsrahmen verwendet wird, und irgendeiner unterstützenden Verschaltung. Der Betrieb eines Vibrationsgyroskops basiert auf dem Coriolis-Effekt. Als solches weist das Gyroskop zwei orthogonale Achsen auf. Im Allgemeinen wird eine träge Masse angetrieben, sodass sie eine Geschwindigkeit entlang der ersten Achse aufweist; ferner ist die Masse üblicherweise eine resonante Struktur, und deshalb wird diese Achse als die Resonatorachse bezeichnet. Wenn die Masse in Bezug auf einen Beobachtungsbezugsrahmen gedreht wird, wird aufgrund des Coriolis-Effekts eine Coriolis-Kraft entlang der zweiten Achse ausgeübt. Die zweite Achse wird als die Coriolisachse bezeichnet. Die Auswirkung der Kraft auf die Coriolisachse kann erfasst werden und die Drehung kann berechnet werden.
Die unterstützende Verschaltung stellt mindestens zwei Funktionen zur Verfügung. Erstens treibt die unterstützende Verschaltung die Masse in Bewegung entlang der Resonatorachse. Diese Verschaltung, zusammen mit dem Gyroskop, wird als der Resonator-Signalweg (RSP) oder einfach als der Resonator bezeichnet. Zweitens erfasst die unterstützende Verschaltung ein Signal entlang der Coriolisachse. Diese Verschaltung, zusammen mit dem Gyroskop, wird als der Coriolis-Signalweg (CSP) oder einfach als der Beschleunigungsmesser bezeichnet.
Viele aktuelle Vibrationsgyroskope verwenden einen teilrückgekoppelten (open-loop) CSP und einen rückgekoppelten (closed-loop) RSP für robuste Empfindlichkeit. Dies lässt das System empfindlich auf den Gütefaktor des Gyroskops entlang der Coriolisachse. Dann werden die Resonator- und Coriolis-Moden absichtlich in der Frequenz aufgeteilt, sodass die Anregung der Coriolisachse außerhalb der Resonanz ist und die Antwort auch in Gegenwart von Schwankungen des Coriolisachsen-Q stabil ist. Dieser Ansatz funktioniert für Resonatoren mit niedrigem Q, wenn die Modenaufteilung im Werk vorgenommen werden kann und mit der Lebensdauer stabil genug bleibt. Für Gyroskope mit hohem Q ist dies keine akzeptable Lösung, da die Reduktion in Q aufgrund der Modenaufteilung die Vorteile der Verwendung einer Struktur mit hohem Q aufheben würde. Eine andere Lösung wäre die Kalibrierung der Empfindlichkeit mit der Temperatur. Dies ist jedoch teuer, z. B. einen Mehrfach-ATE(Automatic Test Equipment)-Test involvierend, und ist weniger zuverlässig.
ZUSAMMENFASSUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In einem Ausführungsbeispiel wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die einen Gyroskop-Steuerkreis für ein Vibrationsgyroskop aufweist, das eine Resonatormasse und einen Beschleunigungsmesser zum Generieren eines Coriolis-Ausgaberatensignals (Coriolis output rate signal) aufweist, wobei der Gyroskop-Steuerkreis einen Resonator-Signalweg und einen Coriolis-Signalweg aufweist. Der Resonator-Signalweg enthält einen teilrückgekoppelten Resonator-Signalwegsteuerkreis, der ausgebildet ist, eine Bewegung der Resonatormasse auf Basis eines Resonator-Erfassungssignals ohne Verwendung von Amplitudeninformationen zu bewirken (drive), die im Resonator-Erfassungssignal beinhaltet sind. Der Coriolis-Signalweg enthält einen rückgekoppelten Coriolis-Signalwegsteuerkreis, der ausgebildet ist, das Coriolis-Ausgaberatensignal auf Basis eines Coriolis-Erfassungssignals zu erzeugen und dem Beschleunigungsmesser ein Rückkopplungssignal auf Basis des Coriolis-Erfassungssignals bereitzustellen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Gyroskopsystem bereitgestellt, das ein Gyroskop und einen Gyroskop-Steuerkreis aufweist. Das Gyroskop enthält eine Resonatormasse und einen Beschleunigungsmesser zum Generieren eines Coriolis-Ausgangssignals. Der Gyroskop-Steuerkreis enthält (a) einen Resonator-Signalweg, der einen teilrückgekoppelten Resonator-Signalwegsteuerkreis enthält, der ausgebildet ist, eine Bewegung der Resonatormasse auf Basis eines Resonator-Erfassungssignals ohne Verwendung von im Resonator-Erfassungssignal enthaltenen Amplitudeninformationen zu bewirken, und (b) einen Coriolis-Signalweg, der einen rückgekoppelten Coriolis-Signalwegsteuerkreis enthält, der ausgebildet ist, das Coriolis-Ausgaberatensignal auf Basis eines Coriolis-Erfassungssignals zu erzeugen und dem Beschleunigungsmesser ein Rückkopplungssignal auf Basis des Coriolis-Erfassungssignals bereitzustellen.
In verschiedenen alternativen Ausführungsformen kann der Gyroskop-Steuerkreis ferner einen Q-Kompensationsschaltkreis enthalten, der ausgebildet ist, Schwankungen in der Gyroskopempfindlichkeit zu kompensieren, die auf Schwankungen im Resonator-Signalweg-Q während des Betriebs des Gyroskops basieren. Der Q-Kompensationsschaltkreis kann einen Q-Messkreis enthalten, der ausgebildet ist, den Resonator-Signalweg-Q zu messen, wobei der Q-Kompensationsschaltkreis ferner entweder einen Multiplizierer, der den gemessenen Resonator-Signalweg-Q und das vom rückgekoppelten Coriolis-Signalwegsteuerkreis generierte Coriolis-Ausgaberatensignal kombiniert, um ein kompensiertes Coriolis-Ausgaberatensignal zu erzeugen, oder einen Rückkopplungskreis vom Q-Messkreis zum teilrückgekoppelten Resonator-Signalwegsteuerkreis enthalten, wobei der teilrückgekoppelte Resonator-Signalwegsteuerkreis ferner ausgebildet ist, ein Resonatorantriebssignal auf Basis des gemessenen Resonator-Signalweg-Q zu justieren, um Schwankungen im Resonator-Signalweg-Q zu reduzieren. Der Q-Messkreis kann ausgebildet sein, Leistungsparameter der Resonatormasse als Reaktion auf verschiedene Antriebskräfte zu bewerten, während das Gyroskop in Betrieb ist. Das Gyroskop kann modenangepasst sein. Der Resonator-Signalweg und der Coriolis-Signalweg können Umwandlungsfaktoren aufweisen, die zueinander proportional sind, sodass die Empfindlichkeit des Gyroskops direkt mit dem Gütefaktor (Q) des Resonator-Signalwegs variiert.
In bestimmten Ausführungsformen ist der Resonator-Steuerkreis auf einer ASIC-Halbleiterplatte implementiert und kann mit einer separaten MEMS-Halbleiterplatte verbunden sein, die das Gyroskop beinhaltet. In anderen Ausführungsformen sind der Resonator-Steuerkreis und das Gyroskop auf einer gemeinsamen Halbleiterplatte implementiert.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Betrieb eines Vibrationsgyroskops mit einem Resonator-Signalweg, der eine Resonatormasse enthält, und mit einem Coriolis-Signalweg bereitgestellt, der einen Beschleunigungsmesser zum Generieren eines Coriolis-Ausgaberatensignals enthält. Das Verfahren weist ein Betreiben (operating) des Resonator-Signalwegs unter Verwendung einer teilrückgekoppelten Steuerung auf, in der eine Bewegung der Resonatormasse auf Basis eines Resonator-Erfassungssignals ohne Verwendung von im Resonator-Erfassungssignal enthaltenen Amplitudeninformationen angesteuert wird, und ein Betreiben des Coriolis-Signalwegs unter Verwendung einer rückgekoppelten Steuerung, in der das Coriolis-Ausgaberatensignal auf einem Coriolis-Erfassungssignal basiert wird und dem Beschleunigungsmesser ein Rückkopplungssignal auf Basis des Coriolis-Erfassungssignals bereitgestellt wird.
In verschiedenen alternativen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Messen eines Resonator-Signalweg-Gütefaktors (Q) und ein Kompensieren von Schwankungen in der Gyroskopempfindlichkeit involvieren, die auf Schwankungen im Resonator-Signalweg-Q während des Betriebs des Gyroskops basieren.
Zusätzliche Ausführungsformen können offenbart und beansprucht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden Merkmale der Ausführungsformen werden leichter durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verständlich, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein schematisches Diagramm ist, das ein Gyroskopsystem zeigt, das ein Gyroskop und einen beispielhaften teilrückgekoppelten RSP-Steuerkreis aufweist, wie in der Technik bekannt;
2 ein schematisches Diagramm ist, das ein Gyroskopsystem zeigt, das ein Gyroskop und einen beispielhaften rückgekoppelten RSP-Steuerkreis aufweist, wie in der Technik bekannt;
3 ein schematisches Diagramm ist, das ein Gyroskopsystem zeigt, das ein Gyroskop und einen beispielhaften rückgekoppelten CSP-Steuerkreis aufweist, wie in der Technik bekannt;
4 ein schematisches Diagramm ist, das ein Gyroskopsystem zeigt, das ein Gyroskop und einen Gyroskop-Steuerkreis mit einem Q-Kompensationsschaltkreis enthält, der ausgebildet ist, eine Nachbearbeitungskorrektur auf Basis einer gemessenen Abschätzung des Resonatorachsen-Q durchzuführen, nach einem bestimmten Ausführungsbeispiel; und
5 ein schematisches Diagramm ist, das ein Gyroskopsystem zeigt, das ein Gyroskop und einen Gyroskop-Steuerkreis mit einem Q-Kompensationsschaltkreis enthält, der ausgebildet ist, den RSP-Antrieb zu justieren, um eine Resonatorachsen-Q-Schwankung zu kompensieren, nach einem bestimmten Ausführungsbeispiel.
Es sollte angemerkt werden, dass die vorangehenden Figuren und die darin gezeigten Elemente nicht notwendigerweise nach einem konsistenten Maßstab oder irgendeinem Maßstab gezeichnet sind. Falls der Kontext nicht anderweitig andeutet, werden gleiche Elemente durch gleiche Ziffern angezeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BESTIMMTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie im Abschnitt Hintergrund besprochen, besteht ein Vibrationsgyroskopsystem aus einem Sensor (Gyroskop), der zum Erfassen einer Drehung einer trägen Masse in Bezug auf einen Bezugsrahmen verwendet wird, und einer unterstützenden Verschaltung. Der Betrieb eines Vibrationsgyroskops basiert auf dem Coriolis-Effekt. Als solches weist das Gyroskop zwei orthogonale Achsen auf. Im Allgemeinen wird eine träge Masse angetrieben, sodass sie eine Geschwindigkeit entlang der ersten Achse aufweist; ferner ist die Masse üblicherweise eine resonante Struktur, und deshalb wird diese Achse als die Resonatorachse bezeichnet. Wenn die Masse in Bezug auf einen Beobachtungsbezugsrahmen gedreht wird, wird aufgrund des Coriolis-Effekts eine Coriolis-Kraft entlang der zweiten Achse ausgeübt. Die zweite Achse wird als die Coriolisachse bezeichnet. Die Auswirkung der Kraft auf die Coriolisachse kann erfasst werden und die Drehung kann berechnet werden.
Die unterstützende Verschaltung stellt mindestens zwei Funktionen zur Verfügung. Erstens treibt die unterstützende Verschaltung die Masse in Bewegung entlang der Resonatorachse. Diese Verschaltung, zusammen mit dem Gyroskop, wird als der Resonator-Signalweg (RSP) oder einfach als der Resonator bezeichnet. Zweitens erfasst die unterstützende Verschaltung ein Signal entlang der Coriolisachse. Diese Verschaltung, zusammen mit dem Gyroskop, wird als der Coriolis-Signalweg (CSP) oder einfach als der Beschleunigungsmesser bezeichnet.
Allgemein gesagt kann jeder Signalweg unter Verwendung einer von drei Arten von Steuerungsmechanismen betrieben werden, die für die Zwecke dieser Patentanmeldung als „rückkopplungslose” Steuerung, „teilrückgekoppelte” Steuerung und „rückgekoppelte” Steuerung bezeichnet werden. Wie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, sollen die folgenden Begriffe die angegebenen Bedeutungen haben, falls der Kontext es nicht anders erfordert:
Ein „rückkopplungsloser” („open”) RSP-Steuerungsmechanismus oder -Steuerkreis (der hierin einfach als „rückkopplungsloser RSP” bezeichnet werden kann) treibt eine Bewegung der Masse ohne einen Rückkopplungskreis an, um einen oder mehrere Systembetriebsparameter auf Basis der angetriebenen Bewegung der Masse zu regeln. Ein Beispiel einer „rückkopplungslosen” RSP-Steuerung ist ein Antriebskreis, der einem Satz von Antriebselektroden ein Antriebssignal (z. B. einen Takt mit fester Amplitude) bereitstellt, um eine Bewegung der Masse entlang der Resonatorachse ohne irgendeine Art von Rückkopplungskreis hervorzurufen, um das Antriebssignal auf Basis der erfassten Bewegung der Masse zu justieren. Ein weiteres Beispiel einer „rückkopplungslosen” RSP-Steuerung wird in K. Y. Park, et al., „Laterally oscillated and force-balanced micro vibratory rate gyroscope supported by fish hook shape springs", Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Seiten 494–499, 1997 (nachstehend „die Park-Referenz") gezeigt, wobei Gleichung 5 eine auf einen Satz von Antriebselektroden angewandte Spannung (als „vorsprungförmige Kammantriebs”-Elektroden bezeichnet) ohne Erwähnung eines Rückkopplungssignals beschreibt. Es sollte angemerkt werden, dass in einem rückkopplungslosen RSP die Anregungsfrequenz nur durch das angewandte Antriebssignal bestimmt wird und nicht unbedingt mit den Eigenschaften der trägen Masse verbunden ist.
Ein „teilrückgekoppelter” („open-loop”) RSP-Steuerungsmechanismus oder -Steuerkreis (der hierin einfach als „teilrückgekoppelter RSP” bezeichnet werden kann) enthält einen Rückkopplungsweg, um eine Oszillation der Masse ohne Regelung der Amplitude der Oszillation oder der Geschwindigkeit der Masse aufrechtzuerhalten. 1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Gyroskopsystem 100 zeigt, das ein Gyroskop 102 und einen beispielhaften teilrückgekoppelten RSP-Steuerkreis 120 aufweist, wie in der Technik bekannt. Die Kombination des teilrückgekoppelten RSP-Steuerkreises 120 und des Gyroskops 102 bildet einen positiven Rückkopplungskreis, in dem das Grenzzyklusverhalten verwendet wird, um die Oszillation aufrechtzuerhalten. Der Kreis hält die Oszillation aufrecht, wenn die Phasenverschiebung um den Kreis gleich null Grad ist. Dadurch ist der Betrieb des teilrückgekoppelten RSP auf eine Phasenverschiebung im Gyroskop empfindlich, die eine Funktion der Frequenz ist. Diese Eigenschaft kann verwendet werden, um die Oszillation genau an der Resonanzfrequenz des Gyroskops beizubehalten, im Gegensatz zum Betrieb des rückkopplungslosen RSP. Insbesondere werden Signale von einem Satz von Resonatoraberfassungselektroden 104 vom Erfassungsverstärker 121 verstärkt und einem Phasenregelschleifen(PLL)-Controller 122 zugeführt, der wiederum die Antriebssignalfrequenz und -phase festlegt, die von einem Antriebsverstärker 123 für einen Satz von Resonatorantriebselektroden 106 bereitgestellt werden. Da der teilrückgekoppelte RSP-Steuerkreis 120 die Amplitude oder Geschwindigkeit der Resonatormasse nicht regelt, wird er deshalb im Kontext dieser Patentanmeldung als teilrückgekoppelt anstatt als rückgekoppelt angesehen, obwohl er einen Rückkopplungskreis enthält. Es ist auch Stand der Technik, einen positiven Rückkopplungskreis zu verwenden, um die Resonatorachse bwi Resonanz zubetreiben, zum Beispiel wie in C. T.-C. Nguyen, „Micromechanical resonators for oscillators and filters", Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 489–499, 1995. Im Kontext dieser Patentanmeldung wird Nguyens RSP-Steuerkreis als teilrückgekoppelter RSP angesehen, da die Verwendung einer positiven Rückkopplung hier einfach zur Beibehaltung der Oszillation ist (d. h., um aufgrund von Dämpfung und Widerstand verlorene Energie zu ersetzen).
Ein „teilrückgekoppelter” CSP-Steuerungsmechanismus oder -Steuerkreis (der hierin einfach als „teilrückgekoppelter CSP” bezeichnet werden kann) erfasst eine Bewegung der Masse ohne einen Rückkopplungskreis, um einen oder mehrere Systembetriebsparameter auf Basis der erfassten Bewegung der Masse zu regeln. Ein Beispiel einer „rückkopplungslosen” CSP-Steuerung ist ein Erfassungskreis, der ein Erfassungssignal vom Beschleunigungsmesser ohne Rückkopplungskreis zurück zum Beschleunigungsmesser verarbeitet, wie zum Zurückbringen einer Beschleunigungsmesser-Probemasse (die eine Resonanzmasse des RSP oder eine separate Masse sein kann) zu einer Sollposition (nominal position) entlang der Coriolisachse. Ein teilrückgekoppelter CSP ist der herkömmliche Weg zum Auslesen des Coriolis-Signals, wie zum Beispiel in F. Ayazi, K. Najafi, „Design and fabrication of high-performance polysilicon vibrating ring gyroscope", Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Seiten 621–626, 1998 (nachstehend „die Ayazi-Referenz"). In diesem Fall beobachtet eine Erfassungselektronik alle Änderungen im Gyroskop entlang der Coriolisachse (in diesem Fall, Änderungen in der Kapazität). Die Ayazi-Referenz scheint auch einen teilrückgekoppelten RSP zu beschreiben, in dem die Resonatorachse mit einer sinusförmigen elektrostatischen Kraft über die Antriebselektroden angesteuert wird. Vermutlich ist diese Anregung nahe der Resonanzfrequenz der Resonatorachse (dort als die primäre Mode beschrieben).
Ein „rückgekoppelter” („closed-loop”) RSP-Steuerungsmechanismus oder -Steuerkreis (der hierin einfach als „rückgekoppelter RSP” bezeichnet werden kann) enthält einen negativen Rückkopplungskreis zur Geschwindigkeits-Amplituden-Steuerung des Resonators. 2 ist ein schematisches Diagramm, das ein Gyroskopsystem 200 zeigt, das ein Gyroskop 202 und einen beispielhaften rückgekoppelten RSP-Steuerkreis 220 aufweist, wie in der Technik bekannt. Der rückgekoppelte RSP-Steuerkreis 220 enthält einen Rückkopplungskreis, der sowohl die Resonanzfrequenz der Resonatormasse als auch die Amplitude der Resonanz erfasst und das vom Antriebsverstärker 223 einem Satz von Resonatorantriebselektroden 206 bereitgestellte Antriebssignal so regelt, dass eine feste Amplitude am Ausgang eines Erfassungsverstärkers 221 beibehalten wird. Insbesondere werden Signale von einem Satz von Resonatorerfassungselektroden 204 vom Erfassungsverstärker 221 verstärkt. Die Ausgabe vom Erfassungsverstärker 221 wird sowohl einem Phasenregelschleifen(PLL)-Controller 222 als auch einem Amplitudendetektor 224 bereitgestellt. Der PLL 222 legt die Antriebssignalfrequenz und -phase für den Antriebsverstärker 223 fest, während die Ausgabe des Amplitudendetektors 224 mit einer automatischen Verstärkungsregelungsspannung (Vagc) kombiniert wird, um die Ausgangsspannung des Antriebsverstärkers 223 zu justieren. Die Ausgabe des Antriebsverstärkers 223 wird einem Satz von Resonatorantriebselektroden 206 bereitgestellt. Da der rückgekoppelte RSP-Steuerkreis 220 die Amplitude oder Geschwindigkeit der Resonatormasse regelt, wird er deshalb im Kontext dieser Patentanmeldung als rückgekoppelt angesehen. Es ist auch Stand der Technik, ein Amplitudensteuerelement zur Resonatorachse hinzuzufügen, zum Beispiel fügt man in T. K. Tang, et al., „A packaged silicon MEMS vibratory gyroscope for microspacecraft", Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Seiten 500–505, 1997 (nachstehend die „Tang-Referenz") auch ein Amplitudensteuerelement zur Resonatorachse hinzu. Im Kontext dieser Patentanmeldung wird Tangs Amplitudensteuerelement als ein rückgekoppelter RSP angesehen, da ein negativer Rückkopplungskreis verwendet wird, um die Maximalverschiebung der Masse entlang der Resonatorachse schrittweise zubewirken. Es ist auch Stand der Technik, eine negative Rückkopplung (rückgekoppelte RSP) zu verwenden, um andere RSP-Parameter als die Maximalverschiebung zu steuern. Beispielsweise kann rückgekoppelte RSP verwendet werden, um die Resonanzfrequenz zu steuern, wie in R. Leland, „Adaptive mode tuning for vibrational gyroscopes", IEEE Trans. on Control Systems Technology, Vol. 11, Nr. 2, Seiten 242–247, März 2003.
Ein „rückgekoppelter” CSP-Steuerungsmechanismus (der hierin einfach als „rückgekoppelter CSP” bezeichnet werden kann) enthält einen Kraft-Rückkopplungsschaltkreis, in dem elektrostatische Kraft entlang der Coriolisachse angewandt wird, um die Coriolis-Kraft auszugleichen. 3 ist ein schematisches Diagramm, das ein Gyroskopsystem 300 zeigt, das ein Gyroskop 302 und einen beispielhaften rückgekoppelten CSP-Steuerkreis 310 aufweist, wie in der Technik bekannt. Der rückgekoppelte CSP-Steuerkreis 310 enthält einen Rückkopplungskreis, der eine Verschiebung der Masse entlang der Coriolisachse erfasst und das Rückkopplungssignal justiert, um die Masse an ihrer natürlichen Position beizubehalten. Insbesondere werden Signale von einem Satz von Coriolisachsen-Erfassungselektroden 308 von einem Erfassungsverstärker 311 verstärkt und von einem Analog-digital-Wandler (ADC) 312 in einen digitalen Wert umgewandelt. Dieser digitale Wert stellt das Ausgaberatensignal 350 für das Gyroskopsystem 300 dar und wird auch über einen Digital-Analog-Wandler (DAC) an einen Satz von Coriolisachsen-Antriebselektroden 310 rückgeführt. Die Park-Referenz stellt auch ein Beispiel einer rückgekoppelten CSP-Steuerung zur Verfügung.
Ein „Satz” beinhaltet ein oder mehrere Elemente. Wie im Kontext dieser Patentanmeldung verwendet, kann ein Satz von Elektroden eine Elektrode enthalten oder kann mehrere Elektroden enthalten.
In manchen Kontexten wird der Begriff „Gyroskop” verwendet, um die mechanischen Gyroskopstrukturen eines Gyroskopsystems zu bezeichnen, wie eine Resonatormasse, eine Beschleunigungsmesser-Probemasse (die die Resonatormasse selbst oder eine separate Masse sein kann) und verschiedene Sätze von Elektroden, die zum Antrieb der Bewegung der Resonatormasse, zum Erfassen der Bewegung der Beschleunigungsmesser-Probemasse und üblicherweise auch für andere Funktionen (z. B. Erfassen von Bewegung der Resonatormasse wie für teilrückgekoppelte RSP- oder rückgekoppelte RSP-Steuerung und/oder zur Anwendung von Kräften auf die Beschleunigungsmesser-Probemasse wie für rückgekoppelte CSP-Steuerung) verwendet werden. In anderen Kontexten wird der Begriff „Gyroskop” allgemein verwendet, um das gesamte Gyroskopsystem einschließlich der mechanischen Gyroskopstrukturen und einen assoziierten Gyroskop-Steuerkreis zu bezeichnen.
Der Hauptvorteil einer Verwendung von rückkopplungslosen oder teilrückgekoppelten Steuerungsmechanismen ist Einfachheit. Mechanische Systeme wie Gyroskope sind jedoch oft inhärent instabil und variieren oft mit Temperaturänderungen oder Umgebungsstöreinflüssen. Der Hauptvorteil einer Verwendung von rückgekoppelten Steuerungsmechanismen ist, dass eine Schwankung in einem bestimmten Parameter bzw. in bestimmten Parametern geregelt werden kann, wie die Auswirkungen von Temperatur oder Umgebungsstöreinflüssen. Mit einer typischen negativen Rückkopplungskonfiguration kümmert man sich nur darum, dass die Kreisverstärkung viel größer als die Einheit ist. In diesem Fall hängt die rückgekoppelte Verstärkung von einem Rückkopplungsfaktor ab.
Wie im Hintergrund der Erfindung besprochen, verwenden viele aktuelle Vibrationsgyroskope einen teilrückgekoppelten CSP und einen rückgekoppelten RSP für robuste Empfindlichkeit. Dies lässt das System gegenüber CSP-Q empfindlich. Dann werden die Resonator- und Coriolis-Moden absichtlich in Frequenz aufgeteilt, sodass die Anregung der Coriolisachse unter der Spitze liegt und nicht gegenüber dem Coriolis-Q empfindlich ist. Dieser Ansatz funktioniert für Resonatoren mit niedrigem Q, wenn die Modenaufteilung im Werk vorgenommen werden kann und mit der Lebensdauer stabil genug bleibt. Für Gyroskope mit hohem Q ist dies keine akzeptable Lösung, da die Reduktion in Q aufgrund der Modenaufteilung die Vorteile der Verwendung einer Struktur mit hohem Q aufheben würde. Eine andere Lösung wäre die Kalibrierung der Empfindlichkeit mit der Temperatur. Dies ist jedoch teuer, z. B. einen Mehrfach-ATE(Automatic Test Equipment)-Test involvierend, und ist weniger zuverlässig.
Es ist auch bekannt, sowohl rückgekoppelte RSP als auch CSP gleichzeitig zu verwenden, beispielsweise wie in R. Oboe, E. Lasalandra, „Control of a z-axis MEMS vibrational gyroscope", IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, Vol. 10, Nr. 4, Seiten 364–370, August 2005. In dieser Konfiguration ist das System nicht gegenüber Q empfindlich, aber ist gegenüber den Umwandlungsmechanismen in den Rückkopplungswegen empfindlich; beispielsweise die Umwandlung von einer Rückkopplungsspannung in eine mechanische, auf das Gyroskop angewandte Kraft. Viele Gyroskopsysteme weisen Umwandlungsmechanismen auf, die gegenüber Umgebungsstöreinflüssen sehr empfindlich sind.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält ein Gyroskop-Steuerkreis für ein Vibrationsgyroskopsystem einen teilrückgekoppelten RSP-Steuerkreis und einen rückgekoppelten CSP-Steuerkreis. Nach bestem Wissen des Erfinders wurde diese Kombination von teilrückgekoppeltem RSP und rückgekoppeltem CSP nicht in Vibrationsgyroskopen verwendet, kann jedoch vorteilhaft sein, wie unten besprochen.
Üblicherweise (obwohl nicht erforderlich) ist das Gyroskop modenangepasst. Die Modenanpassung kann auf eine beliebige einer Vielfalt von Arten durchgeführt werden. Die mechanischen Gyroskopstrukturen können zum Beispiel so konstruiert sein, dass die Resonator- und Coriolisachsen-Moden angepasst sind, oder der Gyroskopsteuerkreis kann einen Modenanpassungsservo (z. B. wie in US-Patentnr. 8151641 und in US-Patentnr. 8616055 beschrieben, die zum Zeitpunkt der Einreichung mit der vorliegenden Patentanmeldung gemeinsames Eigentum waren und die hierin unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingebunden ist) enthalten.
Mit rückgekoppeltem CSP ist die Verstärkung (von Coriolis-Kraft zu CSP-Ausgabe) eine Funktion eines Umwandlungsfaktors Y^–1 (von Spannung in Kraft), wenn die Kreisverstärkung viel größer als die Einheit ist. Deshalb hängt die CSP-Verstärkung nicht vom Sensor-Gütefaktor Q ab, solange Q und alle anderen CSP-Verstärkungen hinreichend groß sind. Die folgenden Gleichungen bieten eine Abschätzung der Empfindlichkeit für einen rückgekoppelten CSP nach einem Ausführungsbeispiel.
Die Coriolis-Kraft (F_COR) kann folgendermaßen dargestellt werden: F_COR = 2mA_gΩ_zvel_RES wobei:

A_g: = Winkelverstärkung;
m: = Masse; und
vel_RES: = Resonatorachsengeschwindigkeit.

Die Rückkopplungskraft (F_FB) kann folgendermaßen dargestellt werden: F_FB = D_outV_dacV_bdC/dx wobei:

D_out: = Ausgabebit;
V_dac: = DAC-Vollbereich;
V_b: = Vorspannung über Rückkopplungselektrodenabstand; und
dC/dx: = Kapazitätsänderung mit der Verschiebung.

Die Rückkopplung arbeitet durch Gleichsetzen der Rückkopplungskraft mit der Coriolis-Kraft. Ein Umordnen für die Empfindlichkeit (S) ergibt: S = Dout/Ω_z = (2mA_gdxvel_RES)/(V_dacV_bdC).
Mit teilrückgekoppeltem RSP ist die Geschwindigkeit der Masse eine Funktion des Produkts eines Umwandlungsfaktors X (von Spannung in Kraft) und des Sensor-Gütefaktors Q (d. h., übersetzt von Kraft in Geschwindigkeit). Die folgenden Gleichungen bieten eine Abschätzung der Resonator-Geschwindigkeit für teilrückgekoppelten RSP nach einem Ausführungsbeispiel.
Der feste, in Kraft umgewandelte Antrieb (FRES) kann folgendermaßen dargestellt werden: F_RES = V_rdV_bdC/dx wobei:

V_rd: = Resonator-Antriebsspannung.

Diese Kraft wird folgendermaßen in Geschwindigkeit (velRES) übersetzt: vel_RES = (Q_rF_RES)/(mω_r) wobei:

m: = Resonatormasse;
ω_r: = Resonatorachsenresonanz; und
Qr: = Resonatorachsen-Gütefaktor.

Ein Kombinieren dieser Gleichungen ergibt: velRES = (Q_r/mω_r)V_rdV_bdC/dx
Es sollte angemerkt werden, dass die obigen Gleichungen eine Parallelplattenumwandlung annehmen (d. h., für eine gegebene Achse, dC/dx = εA/g², wobei g der Elektrodenabstand und A die Elektrodenfläche ist), obwohl die Ergebnisse sehr ähnlich wären, wenn alle Umwandlungen durch Kammstreuungen ersetzt würden (d. h., dC/dx = yεh/g wobei „y” den Streuteil des elektrischen Felds darstellt).
Der Coriolis-Effekt beschreibt eine Kraft, die zum Produkt der Drehgeschwindigkeit und der RSP-Geschwindigkeit proportional ist. Diese Coriolis-Kraft wird dann vom CSP verarbeitet, um das Ausgangssignal zu generieren. Üblicherweise (obwohl nicht notwendigerweise) sind die Umwandlungsfaktoren X und Y zueinander proportional, unter der Annahme, dass CSP und RSP ähnliche Verfahren für den elektrostatischen Antrieb verwenden (z. B. beide verwenden ähnliche Kammelektroden oder beide verwenden ähnliche Parallelplattenelektroden). Deshalb, unter Verwendung von teilrückgekoppeltem RSP und rückgekoppeltem CSP, wie oben beschrieben, steht die Empfindlichkeit des Gesamtsystems (von Eingangsdrehung zu CSP-Ausgabe) zum Produkt von X, Y^–1 und dem Resonatorachsen-Q folgendermaßen in Beziehung:
wobei:

g_cd: = Elektrodenabstand der Coriolisachsen-Kraftrückkopplung;
A_cd: = Elektrodenfläche der Coriolisachsen-Kraftrückkopplung;
g_rd: = Resonatorachsen-Antriebselektrodenabstand; und
A_rd: = Resonatorachsen-Antriebselektrodenfläche.

Deshalb hängt die Systemempfindlichkeit vom Resonatorachsen-Q ab (z. B. variiert die Empfindlichkeit mit Q_r in der obigen Gleichung). Unter der Annahme, dass die Umwandlungsfaktoren X und Y zueinander so proportional sind, dass das Produkt von X und Y^–1 wesentlich konstant ist, hängt die Systemempfindlichkeit hauptsächlich nur vom Resonatorachsen-Q ab (z. B. variiert die Empfindlichkeit direkt mit Q_r in der obigen Gleichung).
Deshalb, um die Systemempfindlichkeit in Bezug auf Umgebungsschwankungen robust zu machen, enthalten bestimmte alternative Ausführungsformen zusätzlich einen Kompensationsschaltkreis, um für eine Schwankung im Resonatorachsen-Gütefaktor (Q) zu justieren. Eine Schwankung im Resonatorachsen-Q kann vom Kompensationsschaltkreis auf eine Vielfalt von Arten justiert werden.
In bestimmten Ausführungsformen ist der Kompensationsschaltkreis ausgebildet, eine Abschätzung des Resonatorachsen-Q zu messen und eine Nachverarbeitungskorrektur auf Basis der gemessenen Abschätzung des Resonatorachsen-Q durchzuführen. Der Resonatorachsen-Q kann zum Beispiel unter Verwendung einer Zirp-, Durchlauf- oder Kurvenanpassungstechnik gemessen werden, wie in der Technik bekannt. In einem Phasenregelschleifensystem kann Q zum Beispiel anhand der Frequenzverschiebung gemessen werden, die durch eine 45-Grad-Phasenverschiebung herbeigeführt wird, die in die Resonanzrückkopplung von einer Auskopplung in der binären Teilerkette eingeschaltet wird. Alternativ kann Q anhand der Amplitudenänderung gemessen werden, die von bekannten Frequenzverschiebungen von der Resonanz herbeigefürt werden (z. B. Messen der Amplitude der Resonanzmasse an der Resonanzfrequenz und auch an der Resonanzfrequenz +/–5%) oder durch den Kehrwert der relativen Bandbreite von –3 dB. US-Patentnr. 8701459 beschreibt ebenfalls Techniken zum Messen des Resonatorachsen-Q; dieses Patent war zum Zeitpunkt der Einreichung mit der vorliegenden Patentanmeldung gemeinsames Eigentum und wird hierin unter Bezugnahme in seiner Gesamtheit eingebunden.
Der Resonatorachsen-Q kann auch unter Verwendung von Techniken gemessen werden, die in der verwandten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/144,126 mit dem Titel „Quality Factor Estimation for Resonators” beschrieben werden, die am gleichen Tag hiermit eingereicht wurde, welche hierin unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingebunden ist. Hier enthält das Messen des Gütefaktors eines oszillierenden MEMS-Resonators ein Bewerten von Leistungsparametern des Resonators als Reaktion auf verschiedene Antriebskräfte, während das Gyroskop in Betrieb ist. Der Kompensationsschaltkreis kann zum Beispiel zwischen einer ersten Phase, in der der Resonator durch Anwendung eines Antriebssignals mit einer ersten Amplitude und mit einer ersten Dauer und nachfolgendes Messen eines Parameters der Bewegung des Resonators zu einem ersten Zeitpunkt während der Anwendung des Antriebssignals an der ersten Amplitude in die Oszillation getrieben wird, und einer zweiten Phase abwechseln, in der der Resonator durch Anwendung des Antriebssignals an einer zweiten Amplitude, die kleiner als die erste Amplitude ist, und nachfolgendes erneutes Messen des Parameters der Bewegung des Resonators zu einem zweiten Zeitpunkt während der Anwendung des Antriebssignals an der zweiten Amplitude angetrieben wird. Beispielsweise ist in einigen Ausführungsformen der Parameter der Bewegung des Resonators die Amplitude der Bewegung des Resonators. In anderen Ausführungsformen ist der Parameter der Bewegung des Resonators die Geschwindigkeit des Resonators, und in noch anderen Ausführungsformen ist der Parameter der Bewegung des Resonators ein zur Geschwindigkeit des Resonators proportionaler Stromfluss.
4 ist ein schematisches Diagramm, das ein Gyroskopsystem 400 zeigt, das ein Gyroskop 402 und einen Gyroskop-Steuerkreis mit einem Q-Kompensationsschaltkreis enthält, der ausgebildet ist, eine Nachbearbeitungskorrektur auf Basis der gemessenen Abschätzung des Resonatorachsen-Q durchzuführen, nach einem bestimmten Ausführungsbeispiel. Hier enthält der Gyroskop-Steuerkreis einen rückgekoppelten CSP-Steuerkreis 410 (z. B. vom in 3 gezeigten Typ), einen teilrückgekoppelten RSP-Steuerkreis 420 (z. B. vom in 1 gezeigten Typ) und einen Q-Kompensationsschaltkreis, der einen Q-Messkreis 430 aufweist, der den Resonatorachsen-Q auf fortlaufender Basis misst. Der Q-Kompensationsschaltkreis enthält auch einen Multiplizierer 440, der den gemessenen Resonatorachsen-Q vom Q-Messkreis 430 mit dem vom rückgekoppelten CSP-Steuerkreis 410 generierten Coriolis-Ausgangssignal kombiniert, um das Ausgaberatensignal 450 zu erzeugen.
In bestimmten alternativen Ausführungsformen ist der Kompensationsschaltkreis ausgebildet, zusätzlich den RSP-Antrieb zu justieren, um eine Q-Schwankung zu kompensieren, d. h., um zu versuchen, eine konstante Resonatorachsen-Geschwindigkeit über einen Bereich von Betriebsparametern (z. B. Temperatur) beizubehalten. Es ist zu beachten, dass dies noch immer ein teilrückgekoppelter RSP sein würde, da Änderungen in der Antriebsspannung den Q des Gyroskops nicht beeinflussen würden; daher gibt es keinen Rückkopplungskreis.
5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Gyroskopsystem 500 zeigt, das ein Gyroskop 502 und einen Gyroskop-Steuerkreis mit einem Q-Kompensationsschaltkreis enthält, der ausgebildet ist, den RSP-Antrieb zu justieren, um eine Resonatorachsen-Q-Schwankung zu kompensieren, nach einem bestimmten Ausführungsbeispiel. Hier enthält der Gyroskop-Steuerkreis einen rückgekoppelten CSP-Steuerkreis 510 (z. B. vom in 3 gezeigten Typ), einen teilrückgekoppelten RSP-Steuerkreis 520 (z. B. vom in 1 gezeigten Typ) und einen Q-Kompensationsschaltkreis, der einen Q-Messkreis 530 aufweist, der den Resonatorachsen-Q auf fortlaufender Basis misst. Der Q-Kompensationsschaltkreis enthält auch einen Multiplizierer 540, der den gemessenen Resonatorachsen-Q vom Q-Messkreis 530 mit dem vom rückgekoppelten CSP-Steuerkreis 510 generierten Coriolis-Ausgangssignal kombiniert, um das Ausgaberatensignal 550 zu erzeugen. Der Q-Kompensationsschaltkreis enthält zusätzlich einen Rückkopplungskreis 560, um das vom Antriebsverstärker 523 generierte und dem Satz von Resonator-Antriebselektroden 506 bereitgestellte Antriebssignal auf Basis des vom Q-Messkreis 530 gemessenen Resonatorachsen-Q zu justieren.
Es sollte angemerkt werden, dass ein teilrückgekoppelter CSP und ein rückgekoppelter RSP, wie in der oben besprochenen Tang-Referenz, ähnlich sind, mit der Ausnahme, dass die Systemempflindlichkeit zum Coriolisachsen-Q proportional ist. Eine Korrektur für den Coriolisachsen-Q ist jedoch schwieriger, da die Coriolisachse im Gegensatz zur Resonatorachse im Allgemeinen während des normalen Betriebs des Gyroskops nicht fortlaufend angeregt wird, da die Anregung der Coriolisachse von der Drehung des Geräts abhängt.
Es sollte angemerkt werden, dass Gyroskop-Steuerkreise vom oben beschriebenen Typ in von den mechanischen Gyroskopkomponenten separaten Einrichtungen implementiert werden können (z. B. kann der Gyroskop-Steuerkreis auf einer ASIC-Halbleiterplatte gebildet werden, die später mit einer separaten MEMS-Halbleiterplatte verbunden wird, die die mechanischen Gyroskopstrukturen beinhaltet) oder in der gleichen Einrichtung wie die mechanischen Gyroskopkomponenten implementiert werden können (z. B. können der Gyroskop-Steuerkreis und die mechanischen Gyroskopstrukturen auf einer gemeinsamen Halbleiterplatte wie in einem integrierten MEMS-Prozess gebildet werden). Deshalb können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowohl einen Gyroskop-Steuerkreis alleine und ein Gyroskopsystem enthalten, das einen solchen Gyroskop-Steuerkreis in Kombination mit den mechanischen Gyroskopstrukturen enthält.
Es sollte angemerkt werden, dass Pfeile in Zeichnungen verwendet werden können, um Kommunikation, Übertragung oder eine andere Aktivität darzustellen, die zwei oder mehr Einheiten involviert. Doppelseitige Pfeile zeigen im Allgemeinen, dass eine Aktivität in beiden Richtungen auftreten kann (z. B. ein Befehl/eine Anforderung in einer Richtung mit einer entsprechenden Antwort zurück in die andere Richtung oder von einer von beiden Einheiten initiierte Peer-to-Peer-Kommunikationen), obwohl in einigen Situationen die Aktivität nicht notwendigerweise in beiden Richtungen auftreten kann. Einseitige Pfeile zeigen im Allgemeinen eine Aktivität ausschließlich oder überwiegend in eine Richtung an, obwohl angemerkt werden muss, dass in bestimmten Situationen eine solche gerichtete Aktivität tatsächlich Aktivitäten in beide Richtungen involvieren kann. Somit ist die Art des in einer bestimmten Zeichnung verwendeten Pfeils, um eine bestimmte Aktivität darzustellen, beispielhaft und sollte nicht als einschränkend angesehen werden.
Die oben beschriebenen Gyroskop-Steuerkreise können in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und können einen Prozessor (z. B. einen Mikroprozessor, Mikrocontroller, digitalen Signalprozessor oder Universalcomputer) mit assoziierter Computerprogrammlogik, einer programmierbaren Logikeinrichtung (z. B. einem Field Programmable Gate Array (FPGA) oder andere programmierbare Logikeinrichtung (PLD)) mit assoziierter programmierbarer Logik, diskrete Komponenten, integrierte Verschaltung (z. B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC)) oder ein beliebiges anderes Mittel enthalten, das eine beliebige Kombination davon enthält. Computerprogrammlogik, die einige oder alle der beschriebenen Funktionalität implementiert, wird typischerweise als ein Satz von Computerprogrammanweisungen implementiert, der in eine computerausführbare Form konvertiert wird, als solche in einem computerlesbaren Medium gespeichert wird und von einem Mikroprozessor unter der Steuerung eines Betriebssystems ausgeführt wird. Hardwarebasierte Logik, die einige oder alle der beschriebenen Funktionalität implementiert, kann unter Verwendung von einem oder mehreren entsprechend ausgebildeten FPGAs implementiert werden.
Computerprogrammlogik, die die gesamte oder einen Teil der vorher hierin beschriebenen Funktionalität implementiert, kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, einschließlich einer Quellcodeform, einer computerausführbaren Form und verschiedener Zwischenformen (z. B. durch einen Assembler, Compiler, Linker oder Lokalisierer generierte Formen), aber in keiner Weise darauf beschränkt. Der Quellcode kann eine Reihe von Computerprogrammanweisungen enthalten, die zur Verwendung mit diversen Betriebssystemen oder Betriebsumgebungen in einer beliebigen von diversen Programmiersprachen implementiert sind (z. B. einem Objektcode, einer Assemblersprache oder einer höheren Programmiersprache wie Fortran, C, C++, JAVA, oder HTML). Der Quellcode kann diverse Datenstrukturen und Kommunikationsnachrichten definieren und verwenden. Der Quellcode kann in einer computerausführbaren Form (z. B. über einen Interpreter) sein, oder der Quellcode kann in eine computerausführbare Form konvertiert werden (z. B. über einen Übersetzer, Assembler oder Compiler).
Computerprogrammlogik, die die gesamte oder einen Teil der vorher hierin beschriebenen Funktionalität implementiert, kann zu verschiedenen Zeitpunkten auf einem einzigen Prozessor (z. B. gleichzeitig) ausgeführt werden oder kann zu den gleichen oder verschiedenen Zeiten auf mehreren Prozessoren ausgeführt werden und kann unter einem einzigen Betriebssystemprozess/-thread oder unter verschiedenen Betriebssystemprozessen/-threads laufen. Deshalb bezeichnet der Begriff „Computerprozess” im Allgemeinen die Ausführung eines Satzes von Computerprogrammanweisungen, egal, ob verschiedene Computerprozesse auf dem gleichen oder verschiedenen Prozessoren ausgeführt werden, und egal, ob verschiedene Computerprozesse unter dem gleichen Betriebssystemprozess/-thread oder unter verschiedenen Betriebssystemprozessen/-threads laufen.
Das Computerprogramm kann in einer beliebigen Form (z. B. Quellcodeform, computerausführbarer Form oder einer Zwischenform) entweder dauerhaft oder transitorisch auf einem greifbaren Speichermedium, wie einer Halbleiterspeichereinrichtung (z. B. einem RAM, ROM, PROM, EEPROM oder flash-programmierbarem RAM), einer Magnetspeichereinrichtung (z. B. einer Diskette oder Festplatte) einer optischen Speichereinrichtung (z. B. einer CD-ROM), einer PC-Karte (z. B. einer PCMCIA-Karte) oder einer anderen Speichereinrichtung fixiert sein. Das Computerprogramm kann in einer beliebigen Form in einem Signal fixiert sein, das an einen Computer unter Verwendung einer beliebigen von verschiedenen Kommunikationstechnologien übertragbar ist, einschließlich von Analogtechnologien, Digitaltechnologien, optischen Technologien, Funktechnologien (z. B. Bluetooth), Netzwerktechnologien und Vernetzungstechnologien, aber in keiner Weise darauf beschränkt. Das Computerprogramm kann in einer beliebigen Form als ein entfernbares Speichermedium mit begleitender gedruckter oder elektronischer Dokumentation (z. B. eingeschweißter Software) verteilt werden, mit einem Computersystem vorgeladen werden (z. B. auf System-ROM oder Festplatte) oder von einem Server oder elektronischen Forum über das Kommunikationssystem (z. B. das Internet oder World Wide Web) verteilt werden.
Hardwarelogik (einschließlich programmierbarer Logik zur Verwendung mit einer programmierbaren Logikeinrichtung), die die gesamte oder einen Teil der vorher hierin beschriebenen Funktionalität implementiert, kann unter Verwendung herkömmlicher manueller Verfahren konstruiert werden, oder kann elektronisch unter Verwendung verschiedener Werkzeuge wie computergestützter Konstruktion (CAD), einer Hardwarebeschreibungssprache (z. B. VHDL oder AHDL) oder einer PLD-Programmiersprache (z. B. PALASM, ABEL oder CUPL) konstruiert, erfasst, simuliert oder dokumentiert werden.
Die programmierbare Logik kann entweder dauerhaft oder transitorisch auf einem greifbaren Speichermedium, wie einer Halbleiterspeichereinrichtung (z. B. einem RAM, ROM, PROM, EEPROM oder flash-programmierbarem RAM), einer Magnetspeichereinrichtung (z. B. einer Diskette oder Festplatte) einer optischen Speichereinrichtung (z. B. einer CD-ROM) oder einer anderen Speichereinrichtung fixiert sein. Die programmierbare Logik kann in einem Signal fixiert sein, das an einen Computer unter Verwendung einer beliebigen von verschiedenen Kommunikationstechnologien übertragbar ist, einschließlich von Analogtechnologien, Digitaltechnologien, optischen Technologien, Funktechnologien (z. B. Bluetooth), Netzwerktechnologien und Vernetzungstechnologien, aber in keiner Weise darauf beschränkt. Die programmierbare Logik kann als ein entfernbares Speichermedium mit begleitender gedruckter oder elektronischer Dokumentation (z. B. eingeschweißter Software) verteilt werden, mit einem Computersystem vorgeladen werden (z. B. auf System-ROM oder Festplatte) oder von einem Server oder elektronischen Forum über das Kommunikationssystem (z. B. das Internet oder World Wide Web) verteilt werden. Natürlich können einige Ausführungsformen der Erfindung als eine Kombination von sowohl Software (z. B. einem Computerprogrammprodukt) als auch Hardware implementiert werden. Noch andere Ausführungsformen der Erfindung sind gänzlich als Hardware oder gänzlich als Software implementiert.
Vor allem sollte angemerkt werden, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung herkömmliche Komponenten wie herkömmliche Computer (z. B. handelsübliche PCs, Mainframes, Mikroprozessoren), herkömmliche programmierbare Logikeinrichtungen (z. B. handelsübliche FPGAs oder PLDs) oder herkömmliche Hardwarekomponenten (z. B. handelsübliche ASICs oder diskrete Hardwarekomponenten) einsetzen können, die, wenn sie programmiert oder ausgebildet sind, die hier beschriebenen, nicht herkömmlichen Verfahren durchzuführen, nicht herkömmliche Einrichtungen oder Systeme erzeugen. Somit ist nichts herkömmlich an den hierin beschriebenen Erfindungen, weil, selbst wenn Ausführungsformen unter Verwendung herkömmlicher Komponenten implementiert werden, die resultierenden Einrichtungen und Systeme (z. B. die hierin beschriebenen Gyroskop-Steuerkreise) notwendigerweise nicht herkömmlich sind, weil die herkömmlichen Komponenten ohne spezielle Programmierung oder Konfiguration die beschriebenen nicht herkömmlichen Verfahren nicht inhärent durchführen.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne vom wahren Umfang der Erfindung abzuweichen, und zahlreiche Variationen und Modifikationen werden Fachleuten auf Basis der Lehren hierin offensichtlich. Bezugnahmen auf die „Erfindung” sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung bezeichnen und sollten nicht so ausgelegt werden, alle Ausführungsformen der Erfindung zu bezeichnen, sofern der Zusammenhang nichts anderes erfordert. Die beschriebenen Ausführungsformen sollen in jeglicher Hinsicht nur als illustrativ und nicht einschränkend betrachtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8151641 [0032]
US 8616055 [0032]
US 8701459 [0045]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Y. Park, et al., „Laterally oscillated and force-balanced micro vibratory rate gyroscope supported by fish hook shape springs”, Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Seiten 494–499, 1997 (nachstehend „die Park-Referenz”) [0021]
C. T.-C. Nguyen, „Micromechanical resonators for oscillators and filters”, Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 489–499, 1995 [0022]
F. Ayazi, K. Najafi, „Design and fabrication of high-performance polysilicon vibrating ring gyroscope”, Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Seiten 621–626, 1998 (nachstehend „die Ayazi-Referenz”) [0023]
T. K. Tang, et al., „A packaged silicon MEMS vibratory gyroscope for microspacecraft”, Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Seiten 500–505, 1997 (nachstehend die „Tang-Referenz”) [0024]
R. Leland, „Adaptive mode tuning for vibrational gyroscopes”, IEEE Trans. on Control Systems Technology, Vol. 11, Nr. 2, Seiten 242–247, März 2003 [0024]
R. Oboe, E. Lasalandra, „Control of a z-axis MEMS vibrational gyroscope”, IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, Vol. 10, Nr. 4, Seiten 364–370, August 2005 [0030]

Claims

Vorrichtung, die einen Gyroskop-Steuerkreis für ein Vibrationsgyroskop aufweist, das eine Resonatormasse und einen Beschleunigungsmesser zum Generieren eines Coriolis-Ausgaberatensignals aufweist, wobei der Gyroskop-Steuerkreis Folgendes aufweist: einen Resonator-Signalweg, der einen teilrückgekoppelten Resonator-Signalwegsteuerkreis enthält, der ausgebildet ist, eine Bewegung der Resonatormasse auf Basis eines Resonator-Erfassungssignals ohne Verwendung von Amplitudeninformationen zu bewirken, die im Resonator-Erfassungssignal beinhaltet sind; und einen Coriolis-Signalweg, der einen rückgekoppelten Coriolis-Signalwegsteuerkreis enthält, der ausgebildet ist, das Coriolis-Ausgaberatensignal auf Basis eines Coriolis-Erfassungssignals zu erzeugen und dem Beschleunigungsmesser ein Rückkopplungssignal auf Basis des Coriolis-Erfassungssignals bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Q-Kompensationsschaltkreis aufweist, der ausgebildet ist, Schwankungen in der Gyroskopempfindlichkeit zu kompensieren, die auf Schwankungen im Resonator-Signalweg-Q während des Betriebs des Gyroskops basieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Q-Kompensationsschaltkreis Folgendes aufweist: einen Q-Messkreis, der ausgebildet ist, den Resonator-Signalweg-Q zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Q-Kompensationsschaltkreis ferner Folgendes aufweist: einen Multiplizierer, der den gemessenen Resonator-Signalweg-Q und das vom rückgekoppelten Coriolis-Signalwegsteuerkreis generierte Coriolis-Ausgaberatensignal kombiniert, um ein kompensiertes Coriolis-Ausgaberatensignal zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Q-Kompensationsschaltkreis ferner einen Rückkopplungskreis vom Q-Messkreis zum teilrückgekoppelten Resonator-Signalwegsteuerkreis aufweist, wobei der teilrückgekoppelte Resonator-Signalwegsteuerkreis ferner ausgebildet ist, ein Resonatorantriebssignal auf Basis des gemessenen Resonator-Signalweg-Q zu justieren, um Schwankungen im Resonator-Signalweg-Q zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei der Q-Messkreis ausgebildet ist, Leistungsparameter der Resonatormasse als Reaktion auf verschiedene Antriebskräfte zu bewerten, während das Gyroskop in Betrieb ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gyroskop modenangepasst ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Resonator-Signalweg und der Coriolis-Signalweg Umwandlungsfaktoren aufweisen, die zueinander proportional sind, sodass die Empfindlichkeit des Gyroskops direkt mit dem Gütefaktor (Q) des Resonator-Signalwegs variiert.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine ASIC-Halbleiterplatte aufweist, wobei der Resonator-Steuerkreis auf der ASIC-Halbleiterplatte gebildet ist.
Gyroskopsystem, das Folgendes aufweist: ein Gyroskop, das eine Resonatormasse und einen Beschleunigungsmesser zum Generieren eines Coriolis-Ausgangssignals enthält; und einen Gyroskop-Steuerkreis, der Folgendes enthält: (a) einen Resonator-Signalweg, der einen teilrückgekoppelten Resonator-Signalwegsteuerkreis enthält, der ausgebildet ist, eine Bewegung der Resonatormasse auf Basis eines Resonator-Erfassungssignals ohne Verwendung von im Resonator-Erfassungssignal enthaltenen Amplitudeninformationen zu bewirken, und (b) einen Coriolis-Signalweg, der einen rückgekoppelten Coriolis-Signalwegsteuerkreis enthält, der ausgebildet ist, das Coriolis-Ausgaberatensignal auf Basis eines Coriolis-Erfassungssignals zu erzeugen und dem Beschleunigungsmesser ein Rückkopplungssignal auf Basis des Coriolis-Erfassungssignals bereitzustellen.
Gyroskopsystem nach Anspruch 10, wobei der Gyroskop-Steuerkreis ferner einen Q-Kompensationsschaltkreis enthält, der ausgebildet ist, Schwankungen in der Gyroskopempfindlichkeit zu kompensieren, die auf Schwankungen im Resonator-Signalweg-Q während des Betriebs des Gyroskops basieren.
Gyroskopsystem nach Anspruch 11, wobei der Q-Kompensationsschaltkreis Folgendes aufweist: einen Q-Messkreis, der ausgebildet ist, den Resonator-Signalweg-Q zu messen.
Gyroskopsystem nach Anspruch 12, wobei der Q-Kompensationsschaltkreis ferner Folgendes aufweist: einen Multiplizierer, der den gemessenen Resonator-Signalweg-Q und das vom rückgekoppelten Coriolis-Signalwegsteuerkreis generierte Coriolis-Ausgaberatensignal kombiniert, um ein kompensiertes Coriolis-Ausgaberatensignal zu erzeugen.
Gyroskopsystem nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Q-Kompensationsschaltkreis ferner einen Rückkopplungskreis vom Q-Messkreis zum teilrückgekoppelten Resonator-Signalwegsteuerkreis aufweist, wobei der teilrückgekoppelte Resonator-Signalwegsteuerkreis ferner ausgebildet ist, ein Resonatorantriebssignal auf Basis des gemessenen Resonator-Signalweg-Q zu justieren, um Schwankungen im Resonator-Signalweg-Q zu reduzieren.
Gyroskopsystem nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei der Q-Messkreis ausgebildet ist, Leistungsparameter der Resonatormasse als Reaktion auf verschiedene Antriebskräfte zu bewerten, während das Gyroskop in Betrieb ist.
Gyroskopsystem nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Gyroskop modenangepasst ist.
Gyroskopsystem nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 16, wobei der Resonator-Signalweg und der Coriolis-Signalweg Umwandlungsfaktoren aufweisen, die zueinander proportional sind, sodass die Empfindlichkeit des Gyroskops direkt mit dem Gütefaktor (Q) des Resonator-Signalwegs variiert.
Gyroskopsystem nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 17, wobei der Resonator-Steuerkreis auf einer ASIC-Halbleiterplatte implementiert ist, und wobei das Gyroskop auf einer separaten MEMS-Halbleiterplatte implementiert ist, die mit der ASIC-Halbleiterplatte verbunden ist.
Gyroskopsystem nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 18, wobei der Resonator-Steuerkreis und das Gyroskop auf einer gemeinsamen Halbleiterplatte implementiert sind.
Verfahren zum Betrieb eines Vibrationsgyroskops mit einem Resonator-Signalweg, der eine Resonatormasse enthält, und mit einem Coriolis-Signalweg, der einen Beschleunigungsmesser zum Generieren eines Coriolis-Ausgaberatensignals enthält, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Betreiben des Resonator-Signalwegs unter Verwendung einer teilrückgekoppelten Steuerung, in der eine Bewegung der Resonatormasse auf Basis eines Resonator-Erfassungssignals ohne Verwendung von im Resonator-Erfassungssignal enthaltenen Amplitudeninformationen angesteuert wird; und Betreiben des Coriolis-Signalwegs unter Verwendung einer rückgekoppelten Steuerung, in der das Coriolis-Ausgaberatensignal auf einem Coriolis-Erfassungssignal basiert wird und dem Beschleunigungsmesser ein Rückkopplungssignal auf Basis des Coriolis-Erfassungssignals bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner Folgendes aufweist: Messen eines Resonator-Signalweg-Gütefaktors (Q); und Kompensieren von Schwankungen in der Gyroskopempfindlichkeit auf Basis von Schwankungen im Resonator-Signalweg-Q, während das Gyroskop in Betrieb ist.