IT201900009582A1 - Giroscopio mems con calibrazione del fattore di scala in tempo reale e relativo metodo di calibrazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

"GIROSCOPIO MEMS CON CALIBRAZIONE DEL FATTORE DI SCALA IN TEMPO REALE E RELATIVO METODO DI CALIBRAZIONE"

La presente invenzione è relativa ad un giroscopio MEMS con calibrazione del fattore di scala in tempo reale e al relativo metodo di calibrazione.

Come è noto, i sistemi micro-elettro-meccanici (Micro-Electro-Mechanical Systems) vengono utilizzati in modo sempre più diffuso in diversi applicazioni, date le loro dimensioni ridotte, i costi compatibili con applicazioni consumer e la loro crescente affidabilità. In particolare, con tale tecnologia vengono realizzati sensori inerziali, quali giroscopi microintegrati e oscillatori elettromeccanici.

I sensori MEMS di questo tipo comprendono generalmente un corpo di supporto ed almeno una massa mobile, sospesa sul e accoppiata al corpo di supporto attraverso molle o "flexures". Le molle sono configurate in modo da consentire alla massa mobile di oscillare rispetto al corpo di supporto secondo uno o più gradi di libertà. La massa mobile è accoppiata al corpo di supporto generalmente in modo capacitivo e forma con questo condensatori con capacità variabile. In particolare, il movimento della massa mobile rispetto agli elettrodi fissi sul corpo di supporto, dovuto all'azione di forze agenti su di essa, modifica la capacità dei condensatori; lo spostamento della massa mobile rispetto al corpo di supporto viene rilevato da tale variazione capacitiva e la forza esterna che ha causato lo spostamento viene calcolata a partire dallo spostamento rilevato.

Fra i sensori MEMS, i giroscopi hanno una struttura elettro-meccanica complessa che, tipicamente, comprende almeno due masse mobili rispetto al corpo di supporto, accoppiate una all'altra in modo da avere un numero di gradi di libertà dipendente dalla architettura del sistema. Nella maggioranza dei casi, ogni massa mobile ha uno o al massimo due gradi di libertà, ma si stanno diffondendo giroscopi MEMS aventi una singola massa mobile e dotati di tre gradi di libertà. In tutti i casi, l'accoppiamento capacitivo avviene attraverso elettrodi fissi e mobili di attuazione o pilotaggio ("driving") e attraverso elettrodi fissi e mobili di rilevamento ("sensing″).

Nella implementazione con due masse mobili, una prima massa mobile è dedicata all'attuazione ed è mantenuta in oscillazione in o attorno una prima direzione alla frequenza di risonanza ad una ampiezza di oscillazione controllata; una seconda massa mobile è attuata attraverso la prima massa mobile e, in caso di rotazione del giroscopio intorno ad un suo asse perpendicolare alla prima direzione e con una velocità angolare, è soggetta ad una forza di Coriolis proporzionale alla velocità angolare stessa e perpendicolare alla direzione di attuazione e all'asse di rotazione.

Nella implementazione con una singola massa mobile, questa è accoppiata ad corpo di supporto in modo da essere mobile rispetto a quest’ultimo con due gradi di libertà indipendenti, e precisamente un grado di libertà per l'attuazione e un grado di libertà per il rilevamento. Quest'ultimo può prevedere un movimento lungo il piano della massa mobile (movimento "nel piano") o perpendicolarmente a questo (movimento "fuori dal piano"). Un dispositivo di attuazione o pilotaggio mantiene la massa mobile in oscillazione controllata secondo uno dei due gradi di libertà. La massa mobile si muove in base all'altro grado di libertà in risposta alla rotazione del corpo di supporto, a causa della forza di Coriolis.

Uno schema di principio di un giroscopio a singola massa è mostrato in figura 1, mostrante a grandi linee la struttura meccanica di rilevamento di un giroscopio 1. Qui, il giroscopio 1 comprende una massa mobile 2 supportata da una struttura di supporto 3 (mostrata schematicamente) attraverso un primo e un secondo sistema di molle 4, 5, anch'essi mostrati solo schematicamente e rappresentati ciascuno attraverso un rispettivo elemento elastico 4.1, 5.1 (aventi rispettive costanti elastiche kx e ky) ed un rispettivo elemento di smorzamento 4.2 e 5.2 (aventi rispettive costanti elastiche rx e ry).

In figura 1, il primo sistema di molle 4 consente il movimento della massa mobile 2 in una prima direzione, parallela ad un primo asse di un sistema di riferimento cartesiano (qui l'asse X) e indicata quindi come direzione di pilotaggio X, e il secondo sistema di molle 5 consente il movimento della massa mobile 2 in una seconda direzione, parallela ad un secondo asse del sistema di riferimento cartesiano (qui all'asse Y) e indicata quindi come direzione di rilevamento Y.

In figura 1, elettrodi di pilotaggio non mostrati provocano l'oscillazione della massa 2 nella direzione di pilotaggio X. In presenza di un movimento rotatorio Ω del giroscopio 1 intorno ad un asse parallelo all'asse Z (che costituisce quindi una direzione di rotazione Z), la forza di Coriolis causa un movimento oscillatorio della massa mobile 2 nella direzione di rilevamento Y, in modo noto.

Tale movimento determina una variazione della distanza o ″gap″ fra la massa mobile 2 (o un elettrodo mobile solidale ad essa nella direzione di movimento Y) ed un elettrodo fisso 7 e può essere rilevato sulla base della variazione capacitiva ∆C derivante.

Come indicato, i giroscopi MEMS reali hanno una struttura complessa e spesso presentano interazioni elettromeccaniche non ideali fra la massa mobile e il corpo di supporto, ad esempio a causa di difetti di fabbricazione, spread di processo, condizioni ambientali e invecchiamento che modificano il fattore di scala del giroscopio, ovvero il rapporto fra il segnale di uscita del giroscopio (variazione di capacità ∆C) e la velocità angolare Ω da rilevare.

Infatti, tali condizioni possono dare origine ad un disturbo che agisce nella direzione di rilevamento Y, aumentando o diminuendo l'elongazione della massa mobile 2 causata dalla forza di Coriolis nella direzione di rilevamento Y e/o variando la distanza fra la massa mobile 2 e l' elettrodo fisso 7 e quindi dando origine ad diverse variazioni capacitive fra la massa mobile stessa e l'elettrodo fisso, causando una variazione del fattore di scala.

Tale fatto può essere anche dimostrato matematicamente a partire dalla definizione del fattore di scala s di un giroscopio del tipo mostrato in figura 1.

In dettaglio, si ha:

in cui è lo spostamento di rilevamento, è la costante dielettrica nel vuoto, è l'area di affaccio fra l'elettrodo fisso 7 e la massa mobile 2, è l'ampiezza del disturbo esterno, è il gap in funzione del disturbo esterno, è la funzione di trasferimento del giroscopio, ovvero lo spostamento unitario dovuto al disturbo esterno e è la forza di Coriolis dovuta alla velocità angolare

Dalla (1) si vede chiaramente che il fattore di scala dipende in misura non trascurabile da disturbi esterni.

D'altra parte, la stabilità del fattore di scala per tutto il tempo di vita è un parametro importante per i giroscopi dato che influenza direttamente l'affidabilità di lettura.

Sono note soluzioni che tentano di compensare disturbi di tipo noto mediante tecniche di trimming. Ad esempio, in caso di variazione del fattore di scala dovuto a variazioni di temperatura esterna, che provoca ad esempio la modifica della rigidità delle strutture elastiche di sospensione, è possibile misurare la temperatura esterna e, in base ad un modello di comportamento noto e/o misurato in fase di test

finale, correggere la misura effettuata in modo da eliminare l'errore. Tuttavia, quando il disturbo non può essere misurato (ad esempio perché dovuto al processo di saldatura sulla scheda di montaggio), soprattutto se esso è variabile nel tempo (come nel caso di modifica dei parametri elastici causata dall'invecchiamento dei materiali o altri fenomeni degenerativi), il problema è di più difficile soluzione.

Di conseguenza, è desiderabile che il giroscopio sia in grado di reiettare disturbi esterni, in particolare i disturbi variabili nel tempo, ad esempio causati da variazioni di temperatura, di stress, di umidità, ecc., che provocano variazioni di parametri elettrici e/o meccanici nel giroscopio.

A tale scopo, altre soluzioni note prevedono di interrompere il funzionamento del giroscopio allo scopo di misurare variazioni del fattore di scala intervenute durante la vita dello stesso. Tuttavia tale soluzione è svantaggiosa in quanto, in questi periodi di tempo, il giroscopio non è operativo, il che può essere inaccettabile in alcune applicazioni.

Scopo della presente invenzione è quindi mettere a disposizione un giroscopio che superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un giroscopio MEMS, un'unità elettronica di elaborazione, un sistema a giroscopio e un relativo metodo di calibrazione, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra uno schema di principio di un giroscopio MEMS noto;

- le figure 2A e 2B mostrano il movimento del giroscopio di figura 1 nel caso di assenza e, rispettivamente di presenza di una forza di quadratura e in assenza di velocità angolare;

- la figura 3 mostra uno schema di principio del presente giroscopio;

- le figure 4A e 4B mostrano il movimento del giroscopio di figura 3 in una prima e, rispettivamente, in una seconda fase di funzionamento, in assenza di velocità angolare;

- le figure 5A e 5B mostrano gli andamenti di grandezze elettriche nel giroscopio di figura 3;

- la figura 6 mostra uno schema di flusso relativo al presente metodo di calibrazione;

- la figura 7 mostra uno schema elettrico di principio di un circuito di controllo del giroscopio di figura 3;

- la figura 8 mostra una possibile implementazione del giroscopio di figura 3;

- la figura 8A mostra un dettaglio ingrandito del giroscopio di figura 8; e

- le figura 9A e 9B mostrano dettagli ingranditi del giroscopio di figura 8.

Il presente giroscopio comprende un circuito di misura ″In-run″, ovvero operante durante il funzionamento normale del giroscopio, basato sulla applicazione, in istanti di tempo prefissati, di una sollecitazione in quadratura, quindi perpendicolare, alla sollecitazione di pilotaggio e agente parallelamente alla direzione di rilevamento, di valore noto, e nella misura e confronto del segnale così ottenuto con un segnale misurato in assenza della sollecitazione in quadratura.

Segnali in quadratura sono spesso presenti in giroscopi, come effetto indesiderato di imperfezioni di fabbricazione, e danno origine a forze (chiamate forze in quadratura) agenti in direzione perpendicolare alla direzione di pilotaggio, come mostrato nelle figure 2A e 2B riferite al giroscopio 1 di figura 1. In particolare, la figura 2A mostra il movimento di pilotaggio (esagerato per chiarezza) della massa mobile 2 in direzione di pilotaggio X. In assenza di velocità angolare e di forze in quadratura, la massa mobile 2 si muove con moto oscillatorio e traslatorio nella sola direzione di pilotaggio X, come rappresentato dalle posizioni tratteggiate della massa mobile 2 e dalla freccia 10. Un'eventuale forza di quadratura presente, che agisce perpendicolarmente alla direzione di pilotaggio X, determina (anche in assenza della velocità angolare) un movimento della massa mobile 2 anche nella direzione di rilevamento Y, come rappresentato da linea tratteggiata in figura 2B. In presenza di velocità angolare intorno al secondo asse cartesiano Y, il movimento in quadratura dovuto alla o alle forze in quadratura si somma quindi al movimento dovuto alla forza di Coriolis.

In questa situazione, la variazione capacitiva fra la massa mobile 2 e gli elettrodi di rilevamento fissi 7 è determinata da due contributi: uno dovuto alla forza di Coriolis si veda l'equazione (1)) e uno dovuto alle forze in quadratura, che può essere espresso come:

in cui i parametri comuni all'equazione (1) hanno lo stesso significato indicato sopra, è lo spostamento dovuto alla forza in quadratura e è la forza <in >quadratura.

Dalla (2) si vede che il segnale generato dalle forze in quadratura è soggetto alla stessa funzione di trasferimento del segnale utile (chiamato in seguito anche segnale di Coriolis (si veda l'equazione (1) sopra riportata).

Tale comportamento, normalmente indesiderato perché diventa difficile poter discriminare il contributo della velocità angolare Ω ricercata dal contributo di disturbo, viene sfruttato nel presente giroscopio per inseguire la variazione o drift della funzione di trasferimento dovuta a disturbi e quindi per inseguire la variazione del fattore di scala del giroscopio.

La figura 3 mostra un giroscopio 30 che sfrutta il principio sopra esposto.

In dettaglio, il giroscopio 30 ha una struttura generale nota e rappresentata in modo estremamente semplificato, omettendo i sistemi elastici di supporto, le strutture di polarizzazione della massa mobile e le strutture di pilotaggio (elettrodi di pilotaggio fissi, operanti secondo un principio di attuazione nonché le relative connessioni elettriche. Anche qui, il giroscopio 30 viene descritto con riferimento ad una terna di assi cartesiani XYZ.

Il giroscopio 30 mostrato in figura 3 comprende una massa mobile 31, rappresentata schematicamente di forma rettangolare, ma realizzabile secondo qualsiasi geometria nota, anche di tipo triangolare, trapezoidale o circolare. Nella schematizzazione mostrata in figura 3, la massa mobile 31 viene attuata, analogamente alla massa mobile 2 di figura 1, in direzione parallela al primo asse cartesiano X (direzione di pilotaggio X), il giroscopio 30 è configurato per ruotare intorno al terzo asse cartesiano Z in presenza di una velocità angolare Ω da rilevare, e il rilevamento avviene lungo il secondo asse cartesiano Y (direzione di rilevamento Y). Quanto sotto discusso si applica tuttavia anche al pilotaggio e al rilevamento lungo diversi assi, come evidente al tecnico del ramo.

La massa mobile 31 è qui affacciata ad un elettrodo di rilevamento 32 (a cui è accoppiata capacitivamente) e ad una coppia di elettrodi di iniezione quadratura (primo e secondo elettrodo di iniezione quadratura 33A, 33B) tramite una sua superficie di affaccio 31A. Tale disposizione non è tuttavia essenziale e la massa mobile 31 può avere diverse superfici di affaccio all'elettrodo di rilevamento 32 e agli elettrodi di iniezione quadratura 33A, 33B, purché configurate e disposte in modo da consentire il rilevamento di variazioni capacitive nella direzione di rilevamento Y. In particolare, l'elettrodo di rilevamento 32 fornisce un segnale di rilevamento S ad un proprio terminale di rilevamento 35, accessibile dall'esterno; gli elettrodi di iniezione quadratura 33A, 33B sono collegati ad un rispettivo primo e secondo terminale di calibratura 36A, 36B, sui quali vengono forniti segnali di iniezione quadratura V1, V2, mostrati esemplificativamente in figura 5A.

Generalmente, l'elettrodo di rilevamento 32 ha area molto maggiore rispetto agli elettrodi di iniezione quadratura 33A, 33B, ad esempio è di dieci volte maggiore.

In figura 3, l'elettrodo di rilevamento 32 è disposto di fronte ad una porzione centrale della massa mobile 31 e quindi l'area di affaccio fra l'elettrodo di rilevamento 32 e la superficie di affaccio 31A rimane invariata durante il movimento della massa mobile 31 nelle direzioni di pilotaggio e di rilevamento X e Y. Viceversa, il primo e secondo elettrodo di iniezione quadratura 33A, 33B sono qui disposti affacciati solo parzialmente alla superficie di affaccio 31A della massa mobile 31; in particolare, essi sono disposti qui su opposte parti periferiche della superficie di affaccio 31A della massa mobile 31 e sporgono lateralmente rispetto alla superficie di affaccio 31A, rispettivamente verso destra e verso sinistra. In questo modo, come discusso sotto, durante il movimento di pilotaggio della massa mobile 31, essi presentano affaccio variabile alla massa mobile 31, ovvero la superficie di affaccio utile (al fine del rilevamento della variazione capacitiva) fra ciascun elettrodo di iniezione quadratura 33A, 33B e la massa mobile 31 ha area variabile a causa del movimento di attuazione nella direzione di pilotaggio X.

Nella forma di realizzazione discussa, i segnali di iniezione quadratura V1, V2 sono tensioni di tipo alternato, a frequenza di iniezione quadratura fC differente da quella (f0) del segnale di pilotaggio, e andamento fra loro opposto (si veda la figura 5A). In particolare, la frequenza di iniezione quadratura fC è inferiore alla frequenza di pilotaggio f0. Ad esempio, la frequenza di pilotaggio f0 può essere di 20 kHz e la frequenza di iniezione quadratura fC può essere di 1 kHz. Inoltre, il primo e il secondo segnale di iniezione quadratura V1, V2 commutano fra un primo valore pari a V0, uguale per entrambi, in un primo semiperiodo, indicato con T1 in nelle figure 5A, 5B, e un secondo valore, diverso per V1, V2, in un secondo semiperiodo, indicato con T2. Il secondo valore è pari a V0+∆V0 per il primo segnale di iniezione quadratura V1 e pari a V0-∆V0 per il secondo segnale di iniezione quadratura V2; in cui V0 è tipicamente inferiore alla tensione di polarizzazione della massa mobile 31 (ad esempio, metà) e il gradino di tensione ∆V0 è pari ad una frazione del primo valore, ad esempio pari ad un decimo di V0 (∆V0 = 0,1 V0). Di conseguenza, durante il primo semiperiodo T1, la differenza di potenziale fra gli elettrodi di iniezione quadratura 33A, 33B e la massa mobile 31 è la stessa e non viene generata alcuna forza di quadratura (prima forza di quadratura, nulla). Viceversa, durante il secondo semiperiodo T2, gli elettrodi di iniezione quadratura 33A, 33B si trovano ad una differenza di potenziale aumentata e, rispettivamente, diminuita di ∆V0 rispetto alla massa mobile 31 e generano una forza aggiuntiva (di segno positivo o negativo, a seconda posizione istantanea in cui si trova la massa mobile 31) che agisce sulla massa stessa, come spiegato sotto con riferimento alle figure 5A e 5B (seconda forza di quadratura).

Le figure 4A e 4B mostrano il comportamento della massa mobile 31 nei due semiperiodi T1, T2 in presenza dei segnali di iniezione quadratura V1, V2.

In dettaglio, la figura 4A mostra il movimento della massa mobile 31 nel primo semiperiodo T1, in presenza del segnale di pilotaggio e di una quadratura naturale (e/o di una velocità angolare Ω) e con elettrodi di calibrazione 33A, 33B polarizzati al primo valore V0; in particolare, la figura 4A mostra con linea continua P0 la posizione intermedia (corrispondente anche alla posizione di riposo della massa mobile 31) e, con linee tratteggiate, due possibili posizioni di oscillazione massima della massa mobile 31 (prima posizione di elongazione P1, corrispondente al massimo avvicinamento agli elettrodi 32, 33A, 33B, e seconda posizione di elongazione P2, corrispondente al massimo allontanamento dagli elettrodi 32, 33A, 33B). Nel primo semiperiodo T1, quindi, non si ha applicazione o iniezione di un segnale in quadratura (segnale di quadratura di calibrazione). Il corrispondente andamento del segnale di rilevamento S nel primo semiperiodo T1 è mostrato in figura 5B; in particolare, nel primo semiperiodo T1, il segnale di rilevamento S ha andamento sinusoidale, avente frequenza pari alla frequenza di pilotaggio f0 e presenta una prima ampiezza correlata alla quadratura naturale (ed eventualmente alla velocità angolare Ω), in modo di per sé noto.

La figura 4B mostra il movimento della massa mobile 31 nel secondo semiperiodo T2, in presenza del segnale di pilotaggio e della quadratura naturale (e/o della velocità angolare Ω) e con elettrodi di calibrazione 35A, 36B posti alla tensione V0+∆V0, rispettivamente V0-∆V0; in particolare, la figura 4B mostra ancora con linea continua la posizione P0 intermedia della massa mobile 31, con linee tratteggiate le posizioni P1, P2 di oscillazione massima di figura 5A, e con linee a tratto e punto due possibili posizioni P3, P4 di oscillazione massima della massa mobile 31 in presenza del gradino di tensione ±∆V0.

Come si nota, nel secondo semiperiodo T2, quando la massa mobile 31 si trova nella prima posizione di elongazione P1 (posizione di massima elongazione verso destra e di minima distanza dagli elettrodi 32, 33A, 33B), essa è qui affacciata completamente al primo elettrodo di iniezione quadratura 33A (posto alla tensione V0+∆V0) ma non è più affacciata al secondo elettrodo di iniezione quadratura 33B (posto alla tensione V0-∆V0); essa subisce quindi una forza aggiuntiva (forza di quadratura di calibrazione positiva) che ne amplifica il movimento di avvicinamento agli elettrodi 32, 33A. La massa mobile 31 quindi si porta dalla prima posizione di elongazione P1 alla posizione rappresentata a tratto e punto, indicata anche come terza posizione di elongazione P3.

Analogamente, nello stesso secondo semiperiodo T2, quando la massa mobile 31 si trova nella seconda posizione di elongazione P2 (posizione di massima elongazione verso sinistra e di massima distanza dagli elettrodi 32, 33A, 33B), essa è affacciata completamente al secondo elettrodo di iniezione quadratura 33B (posto alla tensione V0-∆V0) ma non vede più il primo elettrodo di iniezione quadratura 33A (posto alla tensione V0+∆V0); essa subisce quindi una forza ridotta (forza di quadratura di calibrazione negativa) che ne amplifica il movimento di allontanamento dagli elettrodi 32, 33A, 33B. La massa mobile 31 quindi si porta dalla seconda posizione di elongazione P2 alla posizione rappresentata a tratto e punto, indicata anche come quarta posizione di elongazione P4.

Si noti che lo stesso effetto di applicazione di una forza di quadratura nelle due posizioni di elongazione massima della massa mobile 31 è ottenibile anche nel caso che le superfici di affaccio fra la massa mobile 31 e gli elettrodi di iniezione quadratura 33A, 33B siano variabili in modo differente rispetto a quanto mostrato nelle figure 3, 4A, 4B, come discusso sotto.

L'aumento della elongazione, positiva e negativa, della massa mobile 31 nel secondo semiperiodo T2 determina, come visibile, una modifica della distanza minima e massima della massa mobile 31 stessa dall'elettrodo di rilevamento 32 e quindi rispettivamente, una maggiore variazione capacitiva fra di essi durante il movimento di rilevamento, con conseguente aumento dell'ampiezza del segnale di rilevamento S, come mostrato in figura 5B; come si nota, nel secondo semiperiodo T2, il segnale di rilevamento S ha andamento ancora sinusoidale con la stessa frequenza del primo semiperiodo T1, ma presenta una seconda ampiezza, maggiore della prima ampiezza.

In pratica, nel secondo semiperiodo T2, viene iniettato un segnale in quadratura di valore noto che dà origine ad un gradino ∆S, misurabile, dell'ampiezza del segnale di rilevamento S. Il gradino ∆S può variare nel tempo in presenza di disturbi variabili e drift ed è correlato alla funzione di trasferimento H(d) delle equazioni (1) e (2).

Monitorando eventuali variazioni del valore del gradino ∆S nel tempo, è quindi possibile rilevare eventuali variazioni del fattore di scala; inoltre, è possibile ottenere un fattore di correzione del fattore di scala, utilizzabile in un sistema di elaborazione di compensazione.

Uno schema di flusso di un metodo di rilevamento e di correzione di variazioni del fattore di scala è mostrato nello schema di flusso di figura 6.

In dettaglio, il metodo di figura 6 comprende una fase di rilevamento iniziale, che viene normalmente eseguita in fabbrica, durante le operazioni di verifica e test finale del giroscopio, ed una fase di rilevamento e correzione, che viene eseguita in modo continuo o in intervalli prefissati durante il funzionamento del giroscopio, senza tuttavia richiedere l'interruzione di funzionamento dello stesso e in particolare senza interrompere il flusso in uscita di segnali di velocità angolare forniti ad un apparecchio elettronico che li utilizza.

In dettaglio, la fase di rilevamento iniziale comprende pilotare la massa mobile 31 alla frequenza di pilotaggio f0 prevista, passo 100; polarizzare inizialmente gli elettrodi di iniezione quadratura 33A, 33B al primo valore V0 dei segnali di iniezione quadratura V1, V2 come mostrato in figura 5A durante il primo semiperiodo T1, passo 102; misurare un primo valore di riferimento S01 del segnale di rilevamento S, passo 104; applicare il gradino di tensione di calibrazione ±∆V0, come mostrato in figura 5A durante il secondo semiperiodo T2, passo 106; misurare un secondo valore di riferimento S02 del segnale di rilevamento S, passo 108; sottrarre reciprocamente il primo e il secondo valore di riferimento S02 - S01 per ottenere un valore di scostamento di riferimento ∆S0, passo 110; e memorizzare il fattore di scala di calibrazione di riferimento ∆S0, passo 112.

In dettaglio, la fase di rilevamento e correzione comprende pilotare la massa mobile 31 alla frequenza di pilotaggio f0 prevista, passo 200; polarizzare gli elettrodi di iniezione quadratura 33A, 33B al primo valore V0 dei segnali di iniezione quadratura V1, V2 come mostrato in figura 5A durante il primo semiperiodo T1, passo 202; misurare un valore di primo semiperiodo SIR1 del segnale di rilevamento, passo 204; applicare il gradino di tensione di calibrazione ±∆V0, come mostrato in figura 5A durante il secondo semiperiodo T2, passo 206; misurare un valore di secondo semiperiodo SIR2 del segnale di rilevamento S, passo 208; sottrarre reciprocamente il valore di primo semiperiodo e il valore di secondo semiperiodo SIR2 - SIR1 per ottenere un valore di scostamento di funzionamento o inrun ∆SIR, passo 210; calcolare un fattore di correzione GCF come rapporto fra il valore di scostamento di inrun ∆SIR e il valore di scostamento di calibrazione di riferimento ∆S0, secondo l'equazione:

GCF = ∆SIR/∆S0 (3)

passo 212; memorizzare il fattore di correzione GCF; passo 214; e correggere il valore di velocità angolare ΩM misurato e calcolato in modo standard mediante divisione per il fattore di correzione GCF, secondo l'equazione:

ΩC = ΩM / GCF (4)

passo 216.

I passi 202-214 per il rilevamento del fattore di correzione GCF possono quindi essere ripetuti alla frequenza fC dei segnali di iniezione quadratura V1, V2 di figura 5A, o ripetuti ad intervalli di tempo prefissati, come indicato.

La figura 7 mostra uno schema a blocchi di un sistema di rilevamento di velocità angolare, indicato nel suo complesso con 250.

Il sistema di rilevamento di velocità angolare 250 comprende il giroscopio 30 di figura 3 e un'unità elettronica di elaborazione 251 (ad esempio un ASIC -(Application Specific Integrated Circuit), di entrambi i quali sono mostrati solo i componenti utili alla comprensione del metodo di rilevamento e di correzione di variazioni del fattore di scala descritto sopra con riferimento alla figura 6. Non è quindi mostrata l'unità di comando per il movimento di pilotaggio della massa mobile 31.

Nell'esempio di realizzazione mostrato, il giroscopio 30 e l'unità elettronica di elaborazione 251 sono qui formati su due piastrine (″chip″) 280, 290 separate, ad esempio disposte affiancate o sovrapposte su una scheda (″board″) a circuito stampato o incapsulate in un singolo involucro (″package″).

In figura 7, il terminale di rilevamento 35 del giroscopio 30 è accoppiato elettricamente ad un convertitore capacità/tensione 258 che genera il segnale di rilevamento S. L'uscita del convertitore capacità/tensione 258 è collegata un terminale di ingresso di segnale 252 dell'unità di elaborazione 251; i terminali di calibratura 36A, 36B sono accoppiati elettricamente, attraverso rispettivi terminali di polarizzazione 253A, 253B, ad un'unità di comando iniezione quadratura 255 dell'unità di elaborazione 251. L'unità di comando iniezione quadratura 255 riceve, da un generatore di tensione o una pompa di carica non mostrata, le tensioni V0, V0-∆V e V0+∆V e, sulla base di un segnale di orologio a bassa frequenza LF_CLK, generato da un generatore di orologio 257, fornisce i segnali di iniezione quadratura V1, V2 alla frequenza del segnale di orologio a bassa frequenza LF_CLK avente periodo T1+T2.

Il terminale di ingresso di segnale 252 dell'unità di elaborazione 251 accoppiato ad un canale di calcolo di velocità angolare 260, per l'elaborazione del segnale di Coriolis, e ad un canale di calcolo di fattore di correzione scala 261.

Il canale di calcolo di velocità angolare 260 e il canale di calcolo di fattore di correzione scala 261 sono fra loro simili. In particolare, il canale di calcolo velocità angolare 260 ha una struttura standard e comprende un demodulatore segnale 262 ed un convertitore analogico/digitale segnale 263. In particolare, il demodulatore segnale 262 moltiplica il segnale di rilevamento S (segnale in tensione) per un primo segnale di orologio CLK1, avente frequenza pari alla frequenza f0 del segnale di pilotaggio del giroscopio 30. Il segnale di rilevamento demodulato S_d così ottenuto (eventualmente filtrato, per eliminare armoniche superiori, in modo di per sé noto) viene digitalizzato nel convertitore analogico/digitale segnale 263 e fornito ad un blocco di calcolo della velocità angolare 264.

Il blocco di calcolo della velocità angolare 264 comprende una porzione di calcolo 264A di tipo noto, che fornisce un valore di velocità angolare misurato ΩM, e una porzione di correzione 264B costituita sostanzialmente da un moltiplicatore, come spiegato sotto.

Ad esempio, in una forma di realizzazione tipica, la porzione di calcolo 264A può essere un elaboratore di segnali digitale (DSP) comprendente i seguenti blocchi standard principali: un filtro SINC per il campionamento dei dati provenienti dal convertitore analogico-digitale, una unità di compensazione digitale (DCU) di regolazione della sensibilità (oltre ad eventuali altri parametri) e filtri digitali aggiuntivi (di tipo FIR - Finite Impulse Response o IIR - Infinite Impulse Response) per ridurre il rumore in uscita. Nella presente applicazione, la compensazione della sensibilità all'interno della DCU dipende anche dall'uscita dei blocchi GCF, consentendo così la regolazione in tempo reale del guadagno.

Il canale di calcolo di fattore di correzione scala 261 comprende un demodulatore di quadratura 266, un convertitore analogico/digitale di quadratura 267, un blocco di calcolo del fattore di correzione di scala 268 ed una memoria 269. In dettaglio, il demodulatore di quadratura 266 moltiplica il segnale di rilevamento S per un segnale di orologio CLK2 = CLK1 90°, avente frequenza f0 pari alla frequenza del primo segnale di orologio CLK1, ma sfasato di 90°, per tenere conto della sfasatura dei segnali di iniezione quadratura V1, V2 rispetto al segnale di Coriolis. Il segnale demodulato di quadratura S_r così ottenuto (eventualmente filtrato, per eliminare armoniche superiori, in modo di per sé noto) viene digitalizzato nel convertitore analogico/digitale di quadratura 267 e fornito al blocco di calcolo del fattore di correzione di scala 268 che, sulla base del rapporto fra il fattore di scala memorizzato nella memoria 269 in fase di trimming e il fattore di scala appena calcolato, determina il fattore di correzione GCF in base all'equazione (3).

Il fattore di correzione GCF viene quindi fornito al blocco di calcolo della velocità angolare 264 sulla base di un segnale di attivazione fornito da un'unità di comando 270.

La porzione di calcolo 264A del blocco di calcolo della velocità angolare 264 quindi elabora il segnale di rilevamento demodulato e digitalizzato S_d in modo noto per ottenere la velocità angolare misurata ΩM e moltiplica la velocità angolare misurata ΩM per il fattore di correzione GCF nella porzione di correzione 264B secondo l’equazione (4), fornendo in uscita il valore di velocità angolare corretto ΩC.

Nel caso che il giroscopio 50 sia di tipo triassiale o che l'unità di elaborazione 251 sia accoppiata a tre giroscopi 50 di tipo monoassiale, i canali di calcolo di velocità angolare 260 e di calcolo di fattore di correzione scala 261 vengono ripetuti per ciascun movimento di rollio, beccheggio e imbardata.

La figura 8 mostra una possibile implementazione degli elettrodi di calibratura per un giroscopio 50 di tipo triassiale per il rilevamento di velocità angolare intorno ad un primo, ad un secondo ed un terzo asse cartesiano X, Y, e Z, rispettivamente (movimenti di imbardata, rollio e beccheggio, rispettivamente).

In dettaglio, il giroscopio 50 comprende una prima, una seconda, una terza e una quarta massa mobile 51A, 51B, 51C e 51D portate da una struttura fissa 52 (rappresentata solo schematicamente) attraverso un sistema di molle 53A-53D che accoppiano ciascuna rispettiva massa mobile 51A, 51B, 51C e 51D ad un elemento di ancoraggio centrale 54, solidale alla struttura fissa 52 e mostrato solo schematicamente. Sulla struttura fissa 52 sono presenti piazzole di contatto 90 per la connessione elettrica delle strutture del giroscopio 50 in modo noto al tecnico del ramo e non rappresentato in dettaglio.

Il giroscopio 50 di figura 8 presenta una struttura approssimativamente simmetrica rispetto a due assi centrali A e B passanti per un centro O del giroscopio e paralleli rispettivamente ad un primo asse cartesiano X e un secondo asse cartesiano Y di un sistema di assi cartesiani XYZ. In particolare, la prima e la seconda massa 51A, 51B sono disposte simmetricamente rispetto al secondo asse centrale B e la terza e quarta massa 51C, 51D 51B sono disposte simmetricamente rispetto al primo asse centrale A. Inoltre, la prima e la seconda massa 51A, 51B hanno conformazione simmetrica rispetto al primo asse centrale A, che le attraversa centralmente, e la terza e quarta massa 51C, 51D 51B hanno conformazione in prima approssimazione simmetrica rispetto al secondo asse centrale B, che le attraversa centralmente. La terza e quarta massa 51C, 51D differiscono solo per forma e posizione degli elettrodi di rilevamento di imbardata e degli associati elettrodi di iniezione quadratura, come discusso sotto.

Ciascuna massa mobile 51A-51D è accoppiata ad una rispettiva struttura di pilotaggio 55A-55D, mostrata solo schematicamente e di tipo noto, che pone in oscillazione la rispettiva massa mobile 51A-51D in una propria direzione di pilotaggio. In dettaglio, nel giroscopio 50 mostrato, la prima e la seconda massa mobile 51A, 51B vengono pilotate in direzione parallela al primo asse cartesiano X, come rappresentato da prime frecce D1, e la terza e la quarta massa mobile 51C, 51D vengono pilotate in direzione parallela al secondo asse cartesiano Y, come rappresentato da seconde frecce D2. Ad esempio, le strutture di pilotaggio 55A-55D possono essere realizzate tramite un azionamento capacitivo a elettrodi interdigitati (″cosiddetto ″comb finger actuation″).

Nel giroscopio 50 di figura 8, la prima e la seconda massa mobile 51A, 51B comprendono una prima e, rispettivamente, una seconda struttura di rilevamento rollio (″roll″) 60A, 60B destinata a rilevare il movimento di rollio del giroscopio 50 intorno al secondo asse cartesiano Y. In pratica, la prima e la seconda struttura di rilevamento 60A, 60B rilevano il movimento della rispettiva massa mobile 51A, 51B in una direzione di rilevamento rollio Roll parallela al terzo asse cartesiano Z, movimento causato dalla forza di Coriolis agente sulla rispettiva massa mobile 51A, 51B in presenza di una velocità angolare ΩY e dato il pilotaggio delle masse sospese 51A, 51B stesse nella prima direzione D1.

A tale scopo, la prima e la seconda struttura di rilevamento rollio 60A, 60B comprendono un primo e, rispettivamente, un secondo elettrodo di rilevamento rollio 63A, 63B, di materiale conduttore, estendentisi su un substrato non visibile in figura 8 (parallelo alle masse sospese 51A-51D in un piano posto dietro al piano del disegno) e affacciato alla rispettiva massa mobile 51A, 51B. Ciascun elettrodo di rilevamento rollio 63A, 63B è formato qui da una porzione trasversale 64A, risp. 64B, estendentesi perpendicolarmente alla prima direzione di pilotaggio D1 e parallelamente al secondo asse cartesiano Y, e da una rispettiva pluralità di bracci 65A, 65B, estendentisi paralleli fra loro e alla prima direzione di pilotaggio D1 e connessi alla rispettiva porzione trasversale 64A, 64B.

La terza e la quarta massa mobile 51C, 51D comprendono una prima e una seconda struttura di rilevamento beccheggio (″pitch″) 61C, 61D e una prima e una seconda struttura di rilevamento imbardata (″yaw″) 62C, 62D.

In particolare, la prima e la seconda struttura di rilevamento beccheggio (“pitch”) 61C, 61D sono in grado di rilevare il movimento di beccheggio del giroscopio 50 intorno al primo asse cartesiano X. In pratica, la prima e la seconda struttura di rilevamento beccheggio 61C, 61D rilevano il movimento della rispettiva massa mobile 51C, 51D in una direzione di rilevamento di beccheggio Pitch parallela al terzo asse cartesiano Z, movimento causato dalla forza di Coriolis agente sulla rispettiva massa mobile 51C, 51D in presenza di una velocità angolare ΩX e dato il pilotaggio delle masse sospese 51A, 51B stesse nella seconda direzione D2.

La prima e la seconda struttura di rilevamento beccheggio 61C, 61D hanno struttura simile a quella della prima e della seconda struttura di rilevamento rollio 60A, 60B, ma sono girate di 90° rispetto a queste. Di conseguenza, esse comprendono un primo e, rispettivamente, un secondo elettrodo di rilevamento rollio 63C, 63D, di materiale conduttore, estendentisi sul substrato (non visibile) e affacciato alla rispettiva massa mobile 51C, 51D. Ciascun elettrodo di rilevamento rollio 63C, 63D è quindi formato da una porzione trasversale 64C, risp. 64D, estendentisi perpendicolarmente alla seconda direzione di pilotaggio D2 e parallelamente al primo asse cartesiano X, e da una rispettiva pluralità di bracci 65C, 65D, estendentisi paralleli fra loro e alla seconda direzione di pilotaggio D2 e connessi alla rispettiva porzione trasversale 64C, 64D.

La prima e la seconda struttura di rilevamento imbardata (″yaw″) 62C, 62D sono destinate a rilevare il movimento del giroscopio 50 intorno al terzo asse cartesiano Z (movimento nel piano). In pratica, la prima e una seconda struttura di rilevamento imbardata 62C, 62D rilevano il movimento della rispettiva massa mobile 51C, 51D in una direzione di rilevamento di imbardata Yaw parallela al primo asse cartesiano X, movimento causato dalla forza di Coriolis agente sulla rispettiva massa mobile 51C, 51D in presenza di una velocità angolare ΩZ e dato il pilotaggio delle masse sospese 51A, 51B stesse nella seconda direzione D2.

La prima e una seconda struttura di rilevamento imbardata 62C, 62D, visibili più chiaramente nel dettaglio di figura 8A, in scala ingrandita, comprendono prime, rispettivamente seconde aperture di rilevamento imbardata 66C, 66D formate nella massa mobile 51C, risp. 51D e primi, risp. secondi elettrodi di rilevamento imbardata 67C, 67D, di materiale conduttore, solidali alla struttura fissa 51 ed estendentesi dal substrato (non visibile) in direzione verticale (parallelamente al terzo asse cartesiano Z) all'interno delle prime, risp. seconde aperture di rilevamento 66C, 66D.

Nell'esempio di realizzazione mostrato, le prime e le seconde aperture di rilevamento imbardata 66C, 66D hanno (in vista in pianta) forma generalmente rettangolare allungata, con lunghezza parallela al secondo asse cartesiano Y (parallela alla seconda direzione di pilotaggio D2). Analogamente, i primi e i secondi elettrodi di rilevamento imbardata 67C, 67D hanno (in vista in pianta) forma rettangolare allungata, con lunghezza parallela al secondo asse cartesiano Y. A riposo, i primi elettrodi di rilevamento imbardata 67C sono disposti nelle rispettive prime aperture di rilevamento imbardata 66C in posizione scentrata e precisamente disposti più vicini ad un primo lato lungo delle prime aperture di rilevamento imbardata 66C (in figura 8, più vicino al lato destro) che al lato lungo opposto. Viceversa, i secondi elettrodi di rilevamento imbardata 67D sono disposti nelle rispettive seconde aperture di rilevamento imbardata 66D in posizione scentrata e precisamente disposti più vicini al lato lungo di queste opposto rispetto ai primi elettrodi di rilevamento imbardata 67C (in figura 8, più vicino al lato sinistro).

Inoltre, il giroscopio 50 comprende una prima e una seconda struttura di iniezione quadratura di rollio 70A, 70B associate alla prima, risp. alla seconda massa mobile 51A, 51B; una prima e una seconda struttura di iniezione quadratura di beccheggio 70C, 70D associate alla terza, risp. alla quarta massa mobile 51C, 51D; e una prima e una seconda struttura di iniezione quadratura di imbardata 80C, 80D, associate alla terza, risp. alla quarta massa mobile 51C, 51D.

Le strutture di iniezione quadratura di rollio e beccheggio 70A-70D sono fra loro simili, ma ruotate di 90° una rispetto all'altra. In particolare, la prima struttura di iniezione quadratura di rollio 70A, 70B comprende una prima apertura di iniezione quadratura di rollio 71A e un primo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73A; la seconda struttura di iniezione quadratura di rollio 70A comprende una seconda apertura di iniezione quadratura di rollio 71B e un secondo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73B; la prima struttura di iniezione quadratura di beccheggio 70C comprende una prima apertura di iniezione quadratura di beccheggio 71C e un primo elettrodo di iniezione quadratura di beccheggio 73C; e la seconda struttura di iniezione quadratura di beccheggio 70D comprende una seconda apertura di iniezione quadratura di beccheggio 71D e un secondo elettrodo di iniezione quadratura di beccheggio 73D.

In dettaglio, gli elettrodi di iniezione quadratura di rollio e di beccheggio 73A-73D hanno forma simile agli elettrodi di rilevamento di rollio e di beccheggio 63A, 63B, 63C, 63D; in particolare, nella forma di realizzazione mostrata, essi sono disposti adiacenti agli omologhi elettrodi di rilevamento 63A-63D, in posizione ribaltata. Di conseguenza, ciascun elettrodo di quadratura di rollio e di beccheggio 73A, 73B, 73C e 73D presenta una rispettiva porzione trasversale 74A, 74B, 74C, 74D ed una rispettiva pluralità di bracci 75A, 75B, 75C, 75D. Le porzioni trasversali 74A, 74B, 74A, 74D degli elettrodi di quadratura di rollio e di beccheggio 73A, 73B, 73C e 73D si estendono perpendicolarmente alla direzione di pilotaggio D1, D2 della rispettiva massa mobile 51A-51D. I bracci 75A-75D di ciascun elettrodo di iniezione quadratura di rollio e di beccheggio 73A-73D si estendono paralleli fra loro, perpendicolari alla rispettiva porzione trasversale 74A-74D e sono interdigitati ai bracci 65A-65D dei corrispondenti elettrodi di rilevamento di rollio e di beccheggio 63A-63D. In questo modo, i baricentri degli elettrodi di iniezione quadratura di rollio e di beccheggio 73A-73D sono prossimi ai baricentri dei rispettivi elettrodi di rilevamento di rollio e di beccheggio 63A, 63B, 63C, 63D.

Inoltre, ciascuna apertura di iniezione quadratura 71A, 71B, 71C e 71D presenta forma rettangolare allungata perpendicolare alla direzione di pilotaggio della rispettiva massa mobile 51A-51D.

Nel giroscopio 50, in posizione di riposo, le aperture di iniezione quadratura 71A-71D si estendono al di sopra delle estremità dei bracci 75A-75D dei rispettivi elettrodi di iniezione quadratura 73A-73D e al di sopra di porzioni intermedie dei bracci 65A-65D dei rispettivi elettrodi di rilevamento 63A-63D. In particolare, le aperture di iniezione quadratura 71A-71D, gli elettrodi di rilevamento 63A-63D e gli elettrodi di iniezione quadratura 73A-73D sono posizionati reciprocamente e dimensionati in modo che, a seconda della posizione di oscillazione della rispettiva massa mobile 51A-51D, ciascuna apertura di iniezione quadratura 71A-71D sia sempre sovrapposta ai bracci 65A-65D dei rispettivi elettrodi di rilevamento 63A-63D, e sia sovrapposta completamente, parzialmente o non sovrapposta ai bracci 75A-75D dei rispettivi elettrodi di iniezione quadratura 73A-73D. In questo modo, l'area di affaccio fra ciascun elettrodo di rilevamento 63A-63D e la rispettiva massa mobile 51-53 non cambia al variare della posizione di questa, mentre varia l'area di affaccio fra ciascuna massa mobile 51A-51D e i bracci 75A-75D dei rispettivi elettrodi di iniezione quadratura 73A-73D, come mostrato in dettaglio nelle figure 9A e 9B per la seconda struttura di iniezione quadratura di rollio 63B.

In particolare, nella figura 9A è mostrata una metà della seconda struttura di iniezione quadratura di rollio 70B; in particolare, la figura 9A mostra con linea tratteggiata l'apertura di iniezione quadratura di rollio 71B nella posizione di riposo della seconda massa mobile 51B e con linea continua la stessa apertura di iniezione quadratura di rollio 71B nella posizione di massima elongazione verso destra della seconda massa mobile 51B. La figura 9B mostra analogamente con linea tratteggiata l'apertura di iniezione quadratura di rollio 71B nella posizione di riposo della seconda massa mobile 51B e con linea continua la stessa apertura di iniezione quadratura di rollio 71B nella posizione di massima elongazione verso sinistra della seconda massa mobile 51B.

Come si nota, nella posizione di riposo tratteggiata delle figure 9A e 9B, l'apertura di iniezione quadratura di rollio 71B è sovrapposta per solo parte della sua larghezza (in direzione parallela al primo asse cartesiano X) ai bracci 75B del secondo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73B; nella posizione di massima elongazione a destra della seconda massa mobile 51B, l'apertura di iniezione quadratura di rollio 71B (rappresentata con linea continua in figura 9A ed evidenziata in grigio) non è sovrapposta ai bracci 75B del secondo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73B; e nella posizione di massima elongazione a sinistra della seconda massa mobile 51B, l'apertura di iniezione quadratura di rollio 71B (rappresentata con linea continua in figura 9B ed evidenziata in grigio) è sovrapposta per tutta la sua larghezza ai bracci 75B del secondo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73B. Di conseguenza, nella posizione di riposo della seconda massa mobile 51B, l'area di reciproco affaccio fra la seconda massa mobile 51B e il secondo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73B è di valore intermedio; nella posizione di massima elongazione a destra della seconda massa mobile 51B (figura 9A), l'area di reciproco affaccio fra la seconda massa mobile 51B e il secondo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73B è di valore massimo; e, nella posizione di massima elongazione a sinistra della seconda massa mobile 51B (figura 9B), l'area di reciproco affaccio fra la seconda massa mobile 51B e il secondo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73B è di valore minimo.

In questo modo, applicando ad esempio il primo segnale di iniezione quadratura V1 al secondo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73B e al primo elettrodo di iniezione quadratura di beccheggio 73C e il secondo segnale di iniezione quadratura V2 al primo elettrodo di iniezione quadratura di rollio 73A e al secondo elettrodo di iniezione quadratura di beccheggio 73D, si ottiene l'iniezione di rispettive forze di quadratura di rollio e beccheggio in modo analogo a quanto descritto con riferimento alle figure 4A, 4B, 5A, 5B e 6.

Le strutture di iniezione quadratura di imbardata 80C, 80D comprendono una pluralità di primi, rispettivamente secondi elettrodi di iniezione quadratura di imbardata 81C, 81D e una corrispondente pluralità di prime, rispettivamente seconde aperture di iniezione quadratura di imbardata 82C, 82D. Nella presente forma di realizzazione, le strutture di iniezione quadratura di imbardata 80C, 80D sono intercalate alla prima e, rispettivamente, alla seconda struttura di rilevamento imbardata 62C, 62D, come si nota in particolare per la prima struttura di iniezione quadratura di imbardata 80C e la prima struttura di rilevamento imbardata 62C, mostrate in scala ingrandita in figura 8A.

In dettaglio, le prime e le seconde aperture di iniezione quadratura di imbardata 82C, 82D si estendono affiancate alle prime e alle seconde aperture di rilevamento di imbardata 66C, 66D. Ad esempio, nella forma di realizzazione mostrata, nella terza massa mobile 51C, le prime e le seconde aperture di iniezione quadratura di imbardata 82C, 82D si estendono ciascuna fra due prime aperture di rilevamento di beccheggio 66C. Viceversa, nella quarta massa mobile 51D, le prime e le seconde aperture di iniezione quadratura di imbardata 82C, 82D si estendono ciascuna fra due seconde aperture di rilevamento di beccheggio 66D. Le prime e le seconde aperture di iniezione quadratura di imbardata 82C, 82D hanno forma allungata in direzione parallela alla seconda direzione di pilotaggio D2, ma presentano un gradino 85c, risp. 85D su opposti lati lunghi. In particolare, ciascuna prima apertura di iniezione quadratura di imbardata 82C presenta un gradino 85C su un proprio primo lato lungo (qui sinistro) e ciascuna seconda apertura di iniezione quadratura di imbardata 82D presenta un gradino 85D su un proprio secondo lato lungo (qui destro). Ad esempio, le prime e le seconde aperture di iniezione quadratura di imbardata 82C, 82D possono essere alternate fra loro.

I primi, risp. i secondi elettrodi di iniezione quadratura di imbardata 81C, 81D sono di materiale conduttore, solidali alla struttura fissa 52, e si estendono dal substrato (non visibile) in direzione verticale (parallelamente al terzo asse cartesiano Z) all'interno delle prime, risp. seconde aperture di iniezione quadratura di imbardata 82C, 82D.

Inoltre, i primi, risp. i secondi elettrodi di iniezione quadratura di imbardata 81C, 81D hanno (in vista in pianta) forma rettangolare allungata, con lunghezza parallela alla seconda direzione di pilotaggio D2. I primi elettrodi di iniezione quadratura di imbardata 81C sono disposti nelle rispettive prime aperture di iniezione quadratura di imbardata 82C in prossimità dei lati lunghi presentanti i gradini 85C; i secondi elettrodi di iniezione quadratura di imbardata 81D sono disposti nelle rispettive seconde aperture di iniezione quadratura di imbardata 82D in prossimità dei lati lunghi presentanti i gradini 85D.

In uso, i primi e i secondi elettrodi di iniezione quadratura di imbardata 81C, 81D ricevono il secondo, risp. il primo segnale di iniezione quadratura V2, V1 e, in presenza di una velocità angolare di imbardata ΩZ (intorno al terzo asse cartesiano Z), per effetto del movimento della terza e della quarta massa mobile 51C, 51D nella seconda direzione di pilotaggio D2, si trovano ad una distanza variabile dal rispettivo lato lungo (in direzione X).

Inoltre, per effetto dei gradini 85C, 85D, durante il movimento di pilotaggio della terza e della quarta massa mobile 51C, 51D nella seconda direzione di pilotaggio D2, i primi e secondi elettrodi di iniezione quadratura di imbardata 81C, 81D presentano area di affaccio, con la porzione sporgente del rispettivo lato lungo adiacente, di valore variabile fra un minimo ed un massimo e quindi si comportano come sopra descritto con riferimento alle figure 5A, 4B, 5A, 5B e 6, iniettando, nei secondi semiperiodi T2, una forza di quadratura variabile, secondo quanto spiegato sopra.

In questo modo, il giroscopio 50 può essere monitorato per quanto riguarda il drift del fattore di scala, in tutte le direzioni di rilevamento della velocità angolare.

Con il giroscopio descritto è quindi possibile regolare il fattore di scala in ″run time″ senza interromperne il funzionamento operativo.

La regolazione non richiede la misura dei disturbi interni o esterni alla piastrina 280 del giroscopio MEMS né la conoscenza della natura di tali disturbi; inoltre essa può seguire l'evoluzione o drift del fattore di scala.

Risulta infine chiaro che al giroscopio e al metodo di correzione del fattore di scala qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Ad esempio, le diverse forme di realizzazione descritte possono essere combinate in modo da fornire ulteriori soluzioni.

Inoltre, nel giroscopio triassiale di figura 8, le strutture di iniezione quadratura di rollio e beccheggio 70A-70D possono essere replicate in modo che ciascuna massa mobile 51A-51B sia affacciata sia al primo sia al secondo elettrodo di iniezione quadratura 73A-73D, analogamente al primo e al secondo elettrodo di iniezione quadratura 33A, 33B di figura 4. In questo caso, il primo e il secondo elettrodo di iniezione quadratura 73A e 73B (o 73C e 73D) possono essere disposti affiancati e le aperture di iniezione quadratura di rollio o beccheggio 71A e 71B (o 71C e 71D) per il primo e il secondo elettrodo di iniezione quadratura 73A e 73B (o 73C e 73D) possono essere diverse o una stessa apertura di iniezione quadratura. Viceversa, le strutture di iniezione quadratura di imbardata 80C, 80D possono essere disposte su masse sospese 51C, 51D differenti, in modo che una massa mobile (ad esempio la massa mobile 51C) sia affacciata solo a primi elettrodi di iniezione quadratura 81C (riceventi il secondo segnale di iniezione quadratura V2) e l'altra massa mobile (ad esempio la massa mobile 51D) sia affacciata solo a secondi elettrodi di iniezione quadratura 81D riceventi il primo segnale di iniezione quadratura V1).

Le posizioni di affaccio reciproco fra le masse sospese 51A-51D e gli elettrodi di iniezione quadratura di rollio e beccheggio 73A-73D possono variare rispetto a quanto mostrate ed essere associate (nelle posizione di elongazione massima) fra due diverse condizioni fra le quali: una condizione di sovrapposizione per tutta la larghezza (o lunghezza) di ciascuna apertura di iniezione quadratura 71A-71D al rispettivo elettrodo di iniezione quadratura 73A-73D, una condizione di sovrapposizione solo parziale della larghezza di ciascuna apertura di iniezione quadratura 71A-71D al rispettivo elettrodo di iniezione quadratura 73A-73D e una condizione di non sovrapposizione di ciascuna apertura di iniezione quadratura 71A-71D al rispettivo elettrodo di iniezione quadratura 73A-73D.

Infine, sebbene il giroscopio MEMS 30, 50 delle figure 4 e 8 sia stato descritto come realizzato su una piastrina 280 separata dalla piastrina 290 che integra l'unità elettronica di elaborazione 251 di figura 7, essi possono essere realizzati in una sola piastrina o alcuni componenti dell'unità elettronica di elaborazione 251 essere realizzati direttamente nella piastrina 280 integrante il giroscopio MEMS 30, 50.

La struttura a gradino 85 dei lati lunghi delle prime e delle seconde aperture di iniezione quadratura di imbardata 82C, 82D può essere realizzata sugli elettrodi di iniezione quadratura di rollio e di beccheggio 73A-73D.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Giroscopio MEMS (30; 50), comprendente: una struttura di supporto (31; 51); una prima massa mobile (31; 51A-51D) portata dalla struttura di supporto e configurata per muoversi in una prima direzione di pilotaggio e in una prima direzione di rilevamento, fra loro perpendicolari; una prima struttura di pilotaggio (55A-55D) accoppiata alla prima massa mobile e configurata per comandare un movimento della prima massa mobile nella prima direzione di pilotaggio ad una frequenza di pilotaggio (f0); una prima struttura di rilevamento movimento (32; 60A, 60B, 61AC, 61D, 62C, 62D), accoppiata alla prima massa mobile e configurata per rilevare un movimento della prima massa mobile nella prima direzione di rilevamento; e una struttura di iniezione quadratura (33A, 33B; 70A-70D, 80C, 80D), accoppiata alla prima massa mobile e configurata per generare selettivamente un primo ed un secondo movimento di quadratura della prima massa mobile nella prima direzione di rilevamento in un primo, rispettivamente in un secondo semiperiodo di calibrazione (T1, T2); la struttura di rilevamento movimento essendo configurata per fornire un segnale di rilevamento (S) avente un'ampiezza commutante un primo ed un secondo valore dipendenti dal movimento della prima massa mobile per effetto di una velocità angolare esterna e del primo e secondo movimento di quadratura, il primo e il secondo valore del segnale di rilevamento essendo destinati ad essere sottratti e confrontati con un valore differenza memorizzato e a fornire una informazione di variazione di fattore di scala.
2. 2. Giroscopio MEMS secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre una struttura di polarizzazione (36A, 36B; 90) configurata per polarizzare la struttura di iniezione quadratura (33A, 33B; 70A-70D, 80C, 80D), la struttura di polarizzazione essendo accoppiata alla struttura di iniezione quadratura e configurata per polarizzare la struttura di iniezione quadratura ad una tensione (V1, V2) commutante fra un valore di riposo (V0) nel primo semiperiodo ed un valore di iniezione quadratura (V0-∆V, V0+∆V) nel secondo semiperiodo.
3. 3. Giroscopio MEMS secondo la rivendicazione 2, in cui la struttura di iniezione quadratura (33A, 33B; 70A-70D, 80C, 80D) comprende un primo ed un secondo elettrodo di iniezione quadratura (33A, 33B; 73A-73D, 81C, 81D) accoppiati alla prima massa mobile (31; 51A-51D) e la struttura di polarizzazione (36A, 36B; 90) è configurata per fornire un primo ed un secondo segnale di iniezione quadratura (V1, V2) al primo e, rispettivamente, al secondo elettrodo di iniezione quadratura, il primo e il secondo segnale di iniezione quadratura (V1, V2) avendo un rispettivo primo e un rispettivo secondo valore, i primi valori (V0) del primo e del secondo segnale di iniezione quadratura essendo uguali fra loro e i secondi valori (V0-∆V, V0+∆V) del primo e del secondo segnale di iniezione quadratura essendo pari al primo valore del primo e del secondo segnale di iniezione quadratura incrementato, rispettivamente decrementato di un gradino di tensione (∆V).
4. 4. Giroscopio MEMS secondo la rivendicazione precedente, in cui il primo e il secondo elettrodo di iniezione quadratura (33A, 33B; 73A-73D, 81C, 81D) presentano affaccio variabile alla prima massa mobile (31; 51A-51D) nel movimento della prima massa mobile nella prima direzione di pilotaggio.
5. 5. Giroscopio MEMS secondo la rivendicazione precedente, in cui: la prima massa mobile (51A-51D) è una prima massa mobile scelta fra una massa di rilevamento rollio e una massa di rilevamento beccheggio; il primo elettrodo di iniezione quadratura (73A-73D) si estende al di sotto della prima massa mobile; e la prima massa mobile presenta una prima apertura di iniezione quadratura (71A-71D) configurata per muoversi fra due differenti posizioni di affaccio rispetto al primo elettrodo di iniezione quadratura (73A-73D, 81C, 81D) durante il movimento nella prima direzione di pilotaggio.
6. 6. Giroscopio MEMS secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre: una seconda massa mobile (51A-51D) portata dalla struttura di supporto (52) e configurata per muoversi nella prima direzione di pilotaggio e nella prima direzione di rilevamento; una seconda struttura di pilotaggio (55A-55D) accoppiata alla seconda massa mobile e configurata per comandare un movimento della seconda massa mobile nella prima direzione di pilotaggio alla frequenza di pilotaggio; e una seconda struttura di rilevamento movimento (60A, 60B, 61AC), accoppiata alla seconda massa mobile e configurata per rilevare un movimento della seconda massa mobile nella prima direzione di rilevamento, in cui: il secondo elettrodo di iniezione quadratura (73A-73D) si estende al di sotto della seconda massa mobile; la seconda massa mobile presenta una seconda apertura di iniezione quadratura (71A-71D) configurata per muoversi fra due differenti posizioni di affaccio rispetto al secondo elettrodo di iniezione quadratura durante il movimento nella prima direzione di pilotaggio.
7. 7. Giroscopio MEMS secondo la rivendicazione 4, in cui: la prima massa mobile (51C, 51D) è una massa mobile di rilevamento imbardata; la prima massa mobile presenta una prima ed una seconda apertura di iniezione quadratura (82C, 82D); il primo elettrodo di iniezione quadratura (81C, 81D) si estende dalla struttura fissa (52) all'interno della prima apertura di iniezione quadratura e presenta una superficie di affaccio alla prima apertura di iniezione, uno fra la prima apertura di iniezione quadratura e il primo elettrodo di iniezione quadratura formando un primo elemento di iniezione quadratura e un altro fra la prima apertura di iniezione quadratura e il primo elettrodo di iniezione quadratura formando un secondo elemento di iniezione quadratura; il primo elemento di iniezione quadratura presenta una prima parete dotata di una porzione sporgente ed una porzione arretrata, la porzione sporgente e la porzione arretrata del primo elemento di iniezione quadratura essendo poste a differente distanza dal secondo elemento di iniezione quadratura; il secondo elettrodo di iniezione quadratura si estende dalla struttura fissa all'interno della seconda apertura di iniezione quadratura, uno fra la seconda apertura di iniezione quadratura e il secondo elettrodo di iniezione quadratura formando un terzo elemento di iniezione quadratura e un altro fra la seconda apertura di iniezione quadratura e il secondo elettrodo di iniezione quadratura formando un quarto elemento di iniezione quadratura; il terzo elemento di iniezione quadratura presenta una terza parete dotata di una porzione sporgente e di una porzione arretrata, la porzione sporgente e la porzione arretrata del terzo elemento di iniezione quadratura essendo poste a differente distanza dal quarto elemento di iniezione quadratura; durante il movimento nella prima direzione di pilotaggio, la prima massa mobile è configurata per muoversi fra due differenti condizioni di affaccio fra il primo e il secondo elemento di iniezione quadratura e fra due differenti condizioni di affaccio fra il terzo e il quarto elemento di iniezione quadratura.
8. 8. Giroscopio MEMS secondo la rivendicazione 4, comprendente inoltre: una seconda massa mobile (51D) portata dalla struttura di supporto (52) e configurata per muoversi nella prima direzione di pilotaggio e nella prima direzione di rilevamento; una seconda struttura di pilotaggio (55D) accoppiata alla seconda massa mobile e configurata per comandare un movimento della seconda massa mobile nella prima direzione di pilotaggio alla frequenza di pilotaggio; e una seconda struttura di rilevamento movimento (80D), accoppiata alla seconda massa mobile e configurata per rilevare un movimento della prima massa mobile nella prima direzione di rilevamento, in cui: la prima e la seconda massa mobile (51C, 51D) sono masse mobili di rilevamento imbardata; la prima massa mobile (51C) presenta una prima apertura di iniezione quadratura (82C); la seconda massa mobile (51D) presenta una seconda apertura di iniezione quadratura (82D); il primo elettrodo di iniezione quadratura (81C) si estende dalla struttura fissa all'interno della prima apertura di iniezione quadratura e presenta una superficie di affaccio alla prima apertura di iniezione, uno fra la prima apertura di iniezione quadratura e il primo elettrodo di iniezione quadratura formando un primo elemento di iniezione quadratura e un altro fra la prima apertura di iniezione quadratura e il primo elettrodo di iniezione quadratura formando un secondo elemento di iniezione quadratura; il secondo elettrodo di iniezione quadratura (81D) si estende dalla struttura fissa all'interno della seconda apertura di iniezione quadratura, uno fra la seconda apertura di iniezione quadratura e il secondo elettrodo di iniezione quadratura formando un terzo elemento di iniezione quadratura e un altro fra la seconda apertura di iniezione quadratura e il secondo elettrodo di iniezione quadratura formando un quarto elemento di iniezione quadratura; il primo elemento di iniezione quadratura presenta una prima parete dotata di una porzione sporgente ed una porzione arretrata, la porzione sporgente e la porzione arretrata del primo elemento di iniezione quadratura essendo poste a differente distanza dal secondo elemento di iniezione quadratura; e il terzo elemento di iniezione quadratura presenta una terza parete dotata di una porzione sporgente e di una porzione arretrata, la porzione sporgente e la porzione arretrata del terzo elemento di iniezione quadratura essendo poste a differente distanza dal quarto elemento di iniezione quadratura; durante il movimento nella prima direzione di pilotaggio, la prima massa mobile è configurata per muoversi fra due differenti condizioni di affaccio fra il primo e il secondo elemento di iniezione quadratura e la seconda massa mobile è configurata per muoversi fra due differenti posizioni di affaccio fra il terzo e il quarto elemento s di iniezione quadratura.
9. 9. Giroscopio MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo movimento di quadratura della prima massa mobile (31; 51A-51D) è un movimento nullo.
10. 10. Unità elettronica di elaborazione (251) configurata per essere accoppiata al giroscopio MEMS (30; 50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un circuito di correzione di velocità angolare includente: un sottrattore (110, 210), configurato per sottrarre il primo e il secondo valore del segnale di rilevamento ricevuto dal giroscopio MEMS in una fase di rilevamento iniziale ed ottenere un fattore di scala di calibrazione di riferimento e per sottrarre il primo e il secondo valore del segnale di rilevamento ricevuto dal giroscopio MEMS in una fase operativa del giroscopio MEMS ed ottenere un fattore di scala di calibrazione attuale, un elemento di memoria (269), configurato per memorizzare il fattore di scala di calibrazione di riferimento; un divisore (212) per dividere il fattore di scala di calibrazione attuale per il fattore di scala di calibrazione di riferimento ed ottenere un fattore di correzione guadagno (GCF); un elemento di calcolo della velocità angolare (264A), configurato per generare un valore di velocità angolare misurato (ΩM); e un elemento di correzione misura (264B), configurato per moltiplicare il valore di velocità angolare misurato per il fattore di correzione guadagno (GCF).
11. 11. Unità elettronica di elaborazione secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre: un demodulatore di segnale (262), configurato per demodulare il segnale di rilevamento (S) con un primo segnale di orologio (CLK1)avente una frequenza di orologio e ottenere un segnale di rilevamento demodulato (S_d); un convertitore analogico-digitale di segnale (263), accoppiato al demodulatore di segnale e configurato per fornire all'elemento di calcolo della velocità angolare (264A) un segnale di rilevamento demodulato e digitalizzato; un demodulatore di calibrazione (266), configurato per demodulare il segnale di rilevamento con un secondo segnale di orologio (CLK2) avente la frequenza di orologio e sfasato di 90° gradi rispetto al primo segnale di orologio; e un convertitore analogico-digitale di calibrazione (267), accoppiato al demodulatore di calibrazione e configurato per fornire il primo e il secondo valore del segnale di rilevamento al sottrattore.
12. 12. Sistema di rilevamento di velocità angolare (250) comprendente il giroscopio MEMS (30; 50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9 e l'unità elettronica di elaborazione (251) secondo la rivendicazione 10 o 11.
13. 13. Metodo di calibrazione di un giroscopio MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9, comprendente le fasi di: applicare, su una massa mobile in una direzione di pilotaggio ad una frequenza di pilotaggio (f0), una prima ed una seconda forza in quadratura generanti un primo ed un secondo movimento di quadratura in una direzione di quadratura perpendicolare alla direzione di pilotaggio, la prima e la seconda forza in quadratura essendo applicate in un primo, rispettivamente in un secondo semiperiodo di calibrazione; acquisire un segnale di rilevamento avente un'ampiezza commutante fra un primo ed un secondo valore dipendenti dal movimento della prima massa mobile per effetto di una velocità angolare esterna e del primo e secondo movimento di quadratura; sottrarre il primo e il secondo valore del segnale di rilevamento per ottenere un valore differenza attuale; e generare una informazione di variazione di fattore di scala.
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre: dividere il valore differenza attuale con un valore differenza precedente per ottenere un fattore di correzione guadagno (GCF); calcolare il valore di velocità angolare esterna; e dividere il valore di velocità angolare esterna per il fattore di correzione guadagno (GCF).
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui applicare una prima ed una seconda forza in quadratura comprende generare una tensione di polarizzazione commutante fra un valore di riposo nel primo semiperiodo ed un valore di iniezione quadratura nel secondo semiperiodo.
16. 16. Metodo secondo la rivendicazione precedente, in cui generare una tensione di polarizzazione comprende generare un primo ed un secondo segnale di iniezione quadratura V1, V2 aventi un rispettivo primo e un rispettivo secondo valore, i primi valori del primo e del secondo segnale di iniezione quadratura essendo uguali fra loro e i secondi valori del primo e del secondo segnale di iniezione quadratura essendo pari al primo valore del primo e del secondo segnale di iniezione quadratura incrementato, rispettivamente decrementato di un gradino di tensione.
17. 17. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-16, comprendente le fasi di: demodulare il segnale di rilevamento con un primo segnale di orologio avente una frequenza di orologio e ottenere un segnale di rilevamento demodulato; calcolare il valore di velocità angolare esterna sulla base del segnale di rilevamento demodulato; demodulare il segnale di rilevamento con un secondo segnale di orologio avente la frequenza di orologio e sfasato di 90° gradi rispetto al primo segnale di orologio per ottenere un segnale di quadratura demodulato; e utilizzare segnale di quadratura demodulato per sottrarre il primo e il secondo valore del segnale di rilevamento.
18. 18. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-16, in cui il primo e il secondo semiperiodo di calibrazione definiscono una frequenza di calibrazione pari ad una frazione della frequenza di pilotaggio.