ITTO20091017A1 - MICROELETTROMECHANICAL DEVICE WITH OSCILLATING MASS AND METHOD FOR CHECKING A MICROELETTROMECHANICAL DEVICE WITH OSCILLATING MASS - Google Patents
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Description
“DISPOSITIVO MICROELETTROMECCANICO CON MASSA OSCILLANTE E METODO PER CONTROLLARE UN DISPOSITIVO MICROELETTROMECCANICO CON MASSA OSCILLANTE†`` MICROELECTROMECHANICAL DEVICE WITH OSCILLATING GROUND AND METHOD TO CONTROL A MICROELECTROMECHANICAL DEVICE WITH OSCILLATING GROUND "
La presente invenzione si riferisce a un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante e metodo per controllare un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante. The present invention relates to a microelectromechanical device with oscillating mass and method for controlling a microelectromechanical device with oscillating mass.
Come à ̈ noto, l’impiego di sistemi microelettromeccanici o MEMS (dall’inglese “Micro-Electro-Mechanical Systems†) si à ̈ andato sempre più diffondendo in vari settori della tecnologia e ha dato risultati incoraggianti specialmente nella realizzazione di sensori inerziali, giroscopi microintegrati, e oscillatori elettromeccanici per svariate applicazioni. As is well known, the use of microelectromechanical systems or MEMS (from the English â € œMicro-Electro-Mechanical Systemsâ €) has become increasingly widespread in various sectors of technology and has given encouraging results especially in the realization of inertial sensors, micro-integrated gyroscopes, and electromechanical oscillators for various applications.
I sistemi MEMS di questo tipo sono di solito basati su strutture microelettromeccaniche comprendenti almeno una massa collegata a un corpo fisso (statore) mediante molle e mobile rispetto allo statore secondo prefissati gradi di libertà . La massa mobile e lo statore sono accoppiati capacitivamente mediante una pluralità di rispettivi elettrodi interdigitati e reciprocamente affacciati, in modo da formare dei condensatori. Il movimento della massa mobile rispetto allo statore, ad esempio a causa di una sollecitazione esterna, modifica la capacità dei condensatori; da qui si può risalire allo spostamento relativo della massa mobile rispetto al corpo fisso e quindi alla forza applicata. Viceversa, fornendo opportune tensioni di polarizzazione, à ̈ possibile applicare una forza elettrostatica alla massa mobile per metterla in movimento. Inoltre, per realizzare oscillatori elettromeccanici si sfrutta la risposta in frequenza delle strutture MEMS inerziali, che tipicamente à ̈ di tipo passa-basso del secondo ordine, con una frequenza di risonanza. MEMS systems of this type are usually based on microelectromechanical structures comprising at least one mass connected to a fixed body (stator) by means of springs and movable with respect to the stator according to predetermined degrees of freedom. The mobile mass and the stator are capacitively coupled by means of a plurality of respective interdigitated and mutually facing electrodes, so as to form capacitors. The movement of the mobile mass with respect to the stator, for example due to an external stress, modifies the capacitance of the capacitors; from here it is possible to trace the relative displacement of the mobile mass with respect to the fixed body and therefore the applied force. Conversely, by providing suitable polarization voltages, it is possible to apply an electrostatic force to the moving mass to set it in motion. Furthermore, to realize electromechanical oscillators the frequency response of inertial MEMS structures is exploited, which is typically of the second order low-pass type, with a resonant frequency.
I giroscopi MEMS hanno una struttura elettromeccanica più complessa, che comprende due masse mobili rispetto allo statore e accoppiate fra loro in modo da avere un grado di libertà relativo. Le due masse mobili sono entrambe capacitivamente accoppiate allo statore. Una delle masse à ̈ dedicata al pilotaggio e viene mantenuta in oscillazione alla frequenza di risonanza. L’altra massa viene trascinata nel moto oscillatorio (traslatorio o rotatorio) e, in caso di rotazione della microstruttura rispetto a un asse giroscopico prefissato con una velocità angolare, à ̈ soggetta a una forza di Coriolis proporzionale alla velocità angolare stessa. In pratica, la massa trascinata, che à ̈ accoppiata capacitivamente al corpo fisso mediante elettrodi, come la massa di pilotaggio, opera come un accelerometro che consente di rilevare la forza e l’accelerazione di Coriolis e quindi di risalire alla velocità angolare. MEMS gyroscopes have a more complex electromechanical structure, which includes two moving masses with respect to the stator and coupled together in order to have a relative degree of freedom. The two moving masses are both capacitively coupled to the stator. One of the masses is dedicated to driving and is kept in oscillation at the resonant frequency. The other mass is dragged in the oscillatory motion (translational or rotational) and, in case of rotation of the microstructure with respect to a predetermined gyroscopic axis with an angular velocity, is subjected to a Coriolis force proportional to the angular velocity itself. In practice, the entrained mass, which is capacitively coupled to the fixed body by electrodes, like the driving mass, acts as an accelerometer which allows to detect the Coriolis force and acceleration and therefore to trace the angular velocity.
Nei giroscopi, come in altri dispositivi, la trasduzione delle grandezze richiede che la massa mobile o il sistema di masse mobili venga mantenuto in oscillazione a una data frequenza. Chiaramente, all’accensione del dispositivo (Power-On) o all’uscita da configurazioni di basso consumo (Power-Down) à ̈ necessario un transitorio di avvio prima che la massa mobile o il sistema di masse mobili raggiunga una condizione di oscillazione stabile. Nel transitorio di avvio, il moto oscillatorio viene forzato attraverso componenti di avvio che forniscono una quantità di energia fissa, normalmente in forma di un treno di impulsi di durata prestabilita, sufficiente a raggiungere la frequenza di funzionamento nominale. Una volta esaurito il transitorio, i componenti di avvio vengono disattivati e l’oscillazione à ̈ mantenuta dai dispositivi che garantiscono il normale funzionamento. In gyroscopes, as in other devices, the transduction of quantities requires that the moving mass or system of moving masses be kept in oscillation at a given frequency. Clearly, when the device is switched on (Power-On) or when exiting low-consumption configurations (Power-Down), a start-up transient is required before the moving mass or the moving mass system reaches a condition of stable swing. In the starting transient, the oscillatory motion is forced through starting components which supply a fixed amount of energy, usually in the form of a train of pulses of a predetermined duration, sufficient to reach the nominal operating frequency. Once the transient is over, the start components are deactivated and the oscillation is maintained by the devices that guarantee normal operation.
Le soluzioni note necessitano però tempi di avvio piuttosto lunghi. La durata del transitorio deve infatti essere determinata tenendo conto di un margine di sicurezza, per evitare che il dispositivo fallisca il raggiungimento di una condizione di oscillazione stabile alla frequenza nominale. However, known solutions require quite long start-up times. The duration of the transient must in fact be determined taking into account a safety margin, to prevent the device from failing to reach a stable oscillation condition at the rated frequency.
D’altra parte, se l’energia fornita à ̈ eccessiva, l’ampiezza delle oscillazioni può risultare eccessiva e dar luogo a collisioni della massa mobile o del sistema di masse mobili con la struttura fissa. On the other hand, if the energy supplied is excessive, the amplitude of the oscillations may be excessive and give rise to collisions of the moving mass or system of moving masses with the fixed structure.
Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante e metodo per controllare un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante che permettano di superare le limitazioni descritte e, in particolare, ridurre i transitori di avvio e il rischio di collisioni fra la struttura mobile e la struttura fissa. The purpose of the present invention is to provide a microelectromechanical device with an oscillating mass and a method for controlling a microelectromechanical device with an oscillating mass that allow to overcome the limitations described and, in particular, reduce the start-up transients and the risk of collisions between the mobile structure and the fixed structure.
Secondo la presente invenzione vengono realizzati un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante e metodo per controllare un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante, come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 14. According to the present invention, a microelectromechanical device with oscillating mass and a method for controlling a microelectromechanical device with oscillating mass, as defined in claims 1 and 14 respectively, are realized.
Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne verranno ora descritte alcune forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali: For a better understanding of the invention, some embodiments will now be described, purely by way of non-limiting example and with reference to the attached drawings, in which:
- la figura 1 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un dispositivo microelettromeccanico in accordo a una prima forma di realizzazione della presente invenzione; - figure 1 is a simplified block diagram of a microelectromechanical device according to a first embodiment of the present invention;
- la figura 2 Ã ̈ un diagramma di flusso relativo a un metodo implementato dal dispositivo di figura 1, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 2 is a flow diagram relating to a method implemented by the device of Figure 1, according to an embodiment of the present invention;
- la figura 3 à ̈ uno schema a blocchi semplificato di un giroscopio microelettromeccanico in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione; - figure 3 is a simplified block diagram of a microelectromechanical gyroscope according to a further embodiment of the present invention;
- la figura 4 à ̈ uno schema a blocchi più dettagliato di uno stadio del giroscopio di figura 3; - figure 4 is a more detailed block diagram of a stage of the gyroscope of figure 3;
- la figura 5 à ̈ uno schema a blocchi più dettagliato di uno stadio di un primo elemento dello stadio di figura 4; - figure 5 is a more detailed block diagram of a stage of a first element of the stage of figure 4;
- la figura 6 mostra grafici relativi a grandezze utilizzate nel giroscopio di figura 3; Figure 6 shows graphs relating to quantities used in the gyroscope of Figure 3;
- la figura 7 à ̈ uno schema a blocchi più dettagliato di uno stadio di un secondo elemento dello stadio di figura 4; e - figure 7 is a more detailed block diagram of a stage of a second element of the stage of figure 4; And
- la figura 8 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un sistema elettronico incorporante un dispositivo microelettronico secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Figure 8 is a simplified block diagram of an electronic system incorporating a microelectronic device according to an embodiment of the present invention.
La figura 1 mostra schematicamente un generico dispositivo microelettromeccanico oscillante, indicato nel suo complesso con il numero di riferimento 1. Ad esempio, il dispositivo 1 può essere un oscillatore elettromeccanico utilizzabile in telecomunicazioni oppure un sensore inerziale con lettura a retroazione di forza. Figure 1 schematically shows a generic oscillating microelectromechanical device, indicated as a whole with the reference number 1. For example, the device 1 can be an electromechanical oscillator usable in telecommunications or an inertial sensor with force feedback reading.
Il dispositivo 1 comprende una microstruttura 2 e un dispositivo di pilotaggio 3, collegato alla microstruttura 2 in modo da formare un anello elettromeccanico oscillante 5. Più in dettaglio, la microstruttura 2 comprende un corpo o statore 2a, a cui à ̈ elasticamente collegata una massa mobile 2b, in modo da poter oscillare attorno a una posizione di riposo secondo un grado di libertà . The device 1 comprises a microstructure 2 and a driving device 3, connected to the microstructure 2 so as to form an oscillating electromechanical ring 5. More in detail, the microstructure 2 comprises a body or stator 2a, to which a mass is elastically connected mobile 2b, so as to be able to swing around a rest position according to a degree of freedom.
Il dispositivo di pilotaggio 3 comprende uno stadio di pilotaggio 6, un oscillatore 7, uno stadio di avvio 8 e uno stadio di forzamento 10. The driving device 3 comprises a driving stage 6, an oscillator 7, a starting stage 8 and a forcing stage 10.
Lo stadio di pilotaggio 6 à ̈ accoppiato alla massa mobile 2b, ad esempio mediante accoppiamento capacitivo, ed à ̈ configurato per rilevare spostamenti della massa mobile 2b e per fornire, in una modalità operativa normale, segnali di pilotaggio di retroazione VFBD. Per effetto dell’accoppiamento con la massa mobile 2b, i segnali di pilotaggio di retroazione VFBDapplicano forze elettrostatiche atte a mantenere la massa mobile 2b medesima in oscillazione a una frequenza di lavoro wDstabile. Inoltre, lo stadio di pilotaggio 6 genera un segnale di clock attuale CKA, avente una frequenza attuale wA, che à ̈ la frequenza di oscillazione dell’anello microelettromeccanico 5a e a regime coincide con la frequenza di lavoro wD. The driving stage 6 is coupled to the mobile mass 2b, for example by means of capacitive coupling, and is configured to detect displacements of the mobile mass 2b and to supply, in a normal operating mode, feedback driving signals VFBD. Due to the effect of the coupling with the mobile mass 2b, the feedback driving signals VFBD apply electrostatic forces suitable to keep the mobile mass 2b in oscillation at a stable working frequency wD. Furthermore, the driving stage 6 generates a current clock signal CKA, having a current frequency wA, which is the oscillation frequency of the microelectromechanical ring 5a and at steady state it coincides with the working frequency wD.
L’oscillatore 7 fornisce un segnale di clock di riferimento CKRasincrono rispetto alle oscillazioni dell’anello microelettromeccanico 5 e calibrato a una frequenza di riferimento wRprossima alla frequenza di lavoro nominale dell’anello elettromeccanico 5. Oscillator 7 provides a reference clock signal CKRasynchronous with respect to the oscillations of the microelectromechanical ring 5 and calibrated at a reference frequency wR close to the nominal working frequency of the electromechanical ring 5.
Lo stadio di avvio 8 e lo stadio di forzamento 10 sono selettivamente attivabili in specifiche condizioni operative, in cui il regime di oscillazione della massa mobile 2b non à ̈ ancora stato raggiunto. In particolare, lo stadio di avvio 8 e lo stadio di forzamento 10 sono attivabili all’accensione del dispositivo 1 (“Power-On†) e all’uscita da configurazioni di risparmio energetico (uscita da “Power-Down†). The starting stage 8 and the forcing stage 10 can be selectively activated in specific operating conditions, in which the oscillation regime of the mobile mass 2b has not yet been reached. In particular, the start stage 8 and the forcing stage 10 can be activated when device 1 is switched on (â € œPower-Onâ €) and when exiting energy saving configurations (exiting â € œPower-Downâ € ).
Lo stadio di avvio 8 à ̈ collegato al dispositivo di pilotaggio 6 per ricevere il segnale di clock attuale CKAed à ̈ configurato per alternativamente attivare e disattivare lo stadio di forzamento 10, in base a un confronto fra la frequenza del segnale di clock attuale CKA(frequenza attuale wA, uguale alla frequenza di oscillazione dell’anello microelettromeccanico 5) e la frequenza di riferimento wR. In particolare, lo stadio di avvio 8 genera un segnale di abilitazione SEche ha un valore (logico) attivo, quando la frequenza del segnale di clock attuale CKAà ̈ in un intervallo di ammissibilità I attorno alla frequenza di riferimento wR, e un valore (logico) inattivo altrimenti. In una forma di realizzazione, l’intervallo di ammissibilità I à ̈ dato da I = wR± X%, ad esempio con X = 10; tuttavia, l’intervallo di I potrebbe anche non essere simmetrico rispetto alla frequenza di riferimento wR. Lo stadio di avvio 8 à ̈ a sua volta attivabile in risposta a rispettivi valori attivi di segnali di accensione POR o di segnali di uscita da powerdown PD. The starting stage 8 is connected to the driver 6 to receive the current clock signal CKA and is configured to alternately activate and deactivate the forcing stage 10, based on a comparison between the frequency of the current clock signal CKA ( current frequency wA, equal to the oscillation frequency of the microelectromechanical ring 5) and the reference frequency wR. In particular, the start stage 8 generates an enable signal SEwhich has an active (logical) value, when the frequency of the current clock signal CKAà in an admissibility interval I around the reference frequency wR, and a value (logical ) otherwise inactive. In one embodiment, the admissibility interval I is given by I = wR ± X%, for example with X = 10; however, the interval of I may also not be symmetrical with respect to the reference frequency wR. The start stage 8 can in turn be activated in response to respective active values of the switch-on signals POR or output signals from powerdown PD.
Lo stadio di forzamento 10 à ̈ collegabile fra l’uscita dello stadio di pilotaggio 6 e ingressi di pilotaggio della microstruttura 2 attraverso interruttori di avvio (“startup†) 11, 12. Un interruttore di bypass 13 permette di collegare l’uscita del dispositivo di pilotaggio 6 direttamente agli ingressi di pilotaggio della microstruttura 2, escludendo lo stadio di forzamento 10. In particolare, gli interruttori di avvio 11, 12 sono comandati da un segnale di attuazione SC, fornito dallo stadio di avvio 8, mentre l’interruttore di bypass 13 à ̈ comandato dal segnale di attuazione negato SCN. The forcing stage 10 can be connected between the output of the driving stage 6 and the piloting inputs of the microstructure 2 through start switches (â € œstartupâ €) 11, 12. A bypass switch 13 allows to connect the output of the driving device 6 directly to the driving inputs of the microstructure 2, excluding the forcing stage 10. In particular, the start switches 11, 12 are controlled by an actuation signal SC, supplied by the starting stage 8, while the € ™ bypass switch 13 is controlled by the negated actuation signal SCN.
Lo stadio di forzamento 10 à ̈ comandato dallo stadio di avvio 8 attraverso il segnale di abilitazione SEed à ̈ configurato per applicare alla massa mobile 2b pacchetti di segnale di forzamento VF, in questo caso tensioni (in altre forme di realizzazione, i segnali di forzamento possono essere pacchetti di carica o correnti). Qui e nel seguito, con “pacchetti di segnale di forzamento†si intendono generalmente segnali sinusoidali o sequenze di impulsi applicabili alla massa mobile 2b per produrre una forza su di essa, e aventi la frequenza dell’oscillatore 7 e durata controllata. La durata di ciascun pacchetto di segnale di forzamento VF(in pratica la durata del segnale sinusoidale o il numero di impulsi) e la loro ampiezza determinano l’energia complessivamente trasferita alla massa mobile 2b. I pacchetti di segnale di forzamento VFsono definiti in modo che l’energia trasferita alla massa mobile 2b da ciascun pacchetto sia inferiore all’energia necessaria a portare la massa mobile in oscillazione stabile alla frequenza di lavoro wDa partire da una condizione di quiete. The forcing stage 10 is controlled by the start stage 8 through the enable signal SE and is configured to apply to the mobile mass 2b forcing signal packets VF, in this case voltages (in other embodiments, the forcing signals can be charge packs or currents). Here and in the following, with â € œforcing signal packetsâ € are generally meant sinusoidal signals or pulse sequences applicable to the mobile mass 2b to produce a force on it, and having the frequency of oscillator 7 and controlled duration. The duration of each VF forcing signal packet (in practice the duration of the sinusoidal signal or the number of pulses) and their amplitude determine the overall energy transferred to the mobile mass 2b. The forcing signal packets VF are defined in such a way that the energy transferred to the mobile mass 2b by each packet is less than the energy necessary to bring the mobile mass into stable oscillation at the working frequency wD starting from a condition of rest.
Quando il dispositivo 1 viene acceso o viene ripristinata la modalità operativa normale, la massa mobile 2b à ̈ in quiete o in movimento con ampiezza e/o frequenza di oscillazione ridotte. La seconda eventualità può ad esempio verificarsi in caso di uscita da una modalità di risparmio energetico dopo una breve permanenza, per cui il transitorio di arresto della massa mobile 2b non si à ̈ ancora esaurito. Uno fra il segnale di accensione POR e il segnale di uscita di power-down PD viene posto in modo noto allo stato attivo e il dispositivo di avvio 8 viene abilitato ed esegue la procedura di seguito descritta con riferimento alla figura 2. When the device 1 is switched on or the normal operating mode is restored, the mobile mass 2b is at rest or in motion with reduced amplitude and / or frequency of oscillation. For example, the second possibility may occur in the event of exiting from an energy saving mode after a short stay, for which the transient stopping of the mobile mass 2b has not yet been exhausted. One of the ignition signal POR and the power-down output signal PD is placed in a known manner in the active state and the starting device 8 is enabled and carries out the procedure described below with reference to Figure 2.
Inizialmente, lo stadio di avvio 8 attiva lo stadio di forzamento 10 ponendo il segnale di abilitazione SEal valore attivo. In risposta all’attivazione, lo stadio di forzamento 10 fornisce un pacchetto di segnale di forzamento VFalla massa mobile 2b, che accelera (blocco 50). Initially, the start stage 8 activates the forcing stage 10 by setting the enabling signal SE to the active value. In response to the activation, the forcing stage 10 supplies a forcing signal packet VF to the mobile mass 2b, which accelerates (block 50).
Mentre viene alimentato il pacchetto di segnale di forzamento VF, lo stadio di avvio 8 sorveglia la frequenza attuale wAdel segnale di clock attuale CKA, che à ̈ indicativa della frequenza di oscillazione dell’anello microelettromeccanico 5, e la confronta con l’intervallo di ammissibilità I (blocco 55). While the forcing signal packet VF is being supplied, the start stage 8 monitors the current frequency wA of the current clock signal CKA, which is indicative of the oscillation frequency of the microelectromechanical loop 5, and compares it with the range of eligibility I (block 55).
Se la frequenza attuale wAdel segnale di clock attuale CKAà ̈ esterna all’intervallo di ammissibilità I (blocco 55, uscita NO), viene incrementato un contatore COUNT precedentemente azzerato (blocco 60). In pratica, quindi, lo stadio di avvio 8 decide se proseguire o interrompere l’applicazione di pacchetti di segnale di forzamento VFin base al confronto fra la frequenza attuale wAe la frequenza di riferimento wR. If the current frequency wA of the current clock signal CKA is outside the admissibility range I (block 55, output NO), a previously reset COUNT counter is incremented (block 60). In practice, therefore, the starting stage 8 decides whether to continue or interrupt the application of the forcing signal packets VF on the basis of the comparison between the current frequency wA and the reference frequency wR.
Se il contatore COUNT ha raggiunto un valore di soglia TH programmato (blocco 65, uscita SI), lo stadio di avvio 8 genera un segnale di interrupt INT e la procedura di avvio viene interrotta (blocco 70). Se, invece, la soglia TH non à ̈ ancora stata raggiunta, lo stadio di forzamento 10, mantenuto attivo dallo stadio di avvio 8, fornisce un nuovo pacchetto di segnale di forzamento VFalla massa mobile 2b, che accelera (blocco 50). If the counter COUNT has reached a programmed threshold value TH (block 65, output SI), the start stage 8 generates an interrupt signal INT and the start procedure is interrupted (block 70). If, on the other hand, the threshold TH has not yet been reached, the forcing stage 10, kept active by the starting stage 8, supplies a new forcing signal packet VF to the mobile mass 2b, which accelerates (block 50).
Quando la frequenza attuale wAdel segnale di clock attuale CKAcade all’interno dell’intervallo di ammissibilità I (blocco 55, uscita SI), lo stadio di avvio 8 termina la procedura di avvio (blocco 75). When the current frequency of the current clock signal CKA falls within the admissibility range I (block 55, output SI), the start stage 8 ends the start procedure (block 75).
In questo modo, la durata della fase di avvio viene adattata alle specifiche caratteristiche del dispositivo 1 e alle attuali condizioni operative. Da un lato, quindi, il tempo di accensione e di ripristino della modalità operativa normale viene abbreviato. Il pacchetto di segnale di forzamento VFpuò infatti essere interrotto appena la frequenza di oscillazione dell’anello microelettromeccanico 5 à ̈ sufficientemente vicina alla frequenza di riferimento wRperché lo stadio di pilotaggio 6 sia in condizione di sostenere l’oscillazione autonomamente. Il vantaggio à ̈ particolarmente evidente all’uscita da condizioni di basso consumo, quando la massa mobile 2b non si à ̈ ancora arrestata e presenta oscillazioni residue. In questo caso, per ripristinare le condizioni di oscillazione normali à ̈ sufficiente trasferire alla massa mobile 2 minore energia. In this way, the duration of the start-up phase is adapted to the specific characteristics of the device 1 and to the current operating conditions. On the one hand, therefore, the time for switching on and for restoring the normal operating mode is shortened. The forcing signal package VF can in fact be interrupted as soon as the oscillation frequency of the microelectromechanical ring 5 is sufficiently close to the reference frequency wR for the driving stage 6 to be able to sustain the oscillation autonomously. The advantage is particularly evident when exiting low consumption conditions, when the mobile mass 2b has not yet stopped and shows residual oscillations. In this case, to restore normal oscillation conditions it is sufficient to transfer less energy to the mobile mass 2.
Dall’altro lato, viene eliminato il rischio di collisioni fra la massa mobile 2b e lo statore 2a, perché il trasferimento di energia alla massa mobile 2b viene interrotto tempestivamente quando il regime di oscillazione nominale viene raggiunto. In questo modo, vengono evitate oscillazioni di ampiezza critica. On the other hand, the risk of collisions between the moving mass 2b and the stator 2a is eliminated, because the transfer of energy to the moving mass 2b is promptly interrupted when the nominal oscillation rate is reached. In this way, oscillations of critical amplitude are avoided.
La figura 3 mostra una forma di realizzazione dell’invenzione, in cui un giroscopio 100 microelettromeccanico comprende una microstruttura 102, realizzata in materiale semiconduttore, un dispositivo di pilotaggio 103 e un dispositivo di rilevamento 105. Figure 3 shows an embodiment of the invention, in which a microelectromechanical gyroscope 100 comprises a microstructure 102, made of semiconductor material, a driving device 103 and a sensing device 105.
La microstruttura 102 à ̈ realizzata in materiale semiconduttore e comprende una struttura fissa 106, una massa di pilotaggio 107 e almeno una massa di rilevamento 108. Per semplicità , nella forma di realizzazione qui illustrata si farà riferimento al caso di un giroscopio monoassiale, in cui à ̈ presente una sola massa di rilevamento 108. Quanto di seguito descritto si applica tuttavia anche nel caso di giroscopi multiassiali, che comprendono due o più masse di rilevamento, per rilevare rotazioni secondo rispettivi assi indipendenti. The microstructure 102 is made of semiconductor material and comprises a fixed structure 106, a driving mass 107 and at least a sensing mass 108. For simplicity, in the embodiment illustrated here, reference will be made to the case of a monoaxial gyroscope, in which There is only one sensing mass 108. However, what is described below also applies in the case of multiaxial gyroscopes, which include two or more sensing masses, to detect rotations according to respective independent axes.
La massa di pilotaggio 107 à ̈ connessa elasticamente mediante sospensioni (non mostrate) alla struttura fissa 106 in modo da poter oscillare attorno a una posizione di riposo secondo un grado di libertà traslatorio o rotatorio. La massa di rilevamento 108 à ̈ meccanicamente accoppiata alla massa di pilotaggio 107 in modo da essere trascinata in moto secondo il grado di libertà della massa di pilotaggio 107 stessa. Inoltre, la massa di rilevamento 108 à ̈ connessa elasticamente alla massa di pilotaggio 107 in modo da oscillare a sua volta rispetto alla massa di pilotaggio 107 stessa, con un rispettivo ulteriore grado di libertà traslatorio o rotatorio. Nella forma di realizzazione qui descritta, in particolare, la massa di pilotaggio 107 à ̈ mobile linearmente lungo un asse di pilotaggio X, mentre la massa di rilevamento 108 à ̈ mobile rispetto alla massa di pilotaggio 107 secondo un asse di rilevamento Y perpendicolare all’asse di pilotaggio X. Si intende tuttavia che il tipo di movimento (traslatorio o rotatorio) consentito dai gradi di libertà e la disposizione degli assi di pilotaggio e di rilevamento possono variare secondo il tipo di giroscopio. Con riferimento ai movimenti della massa di pilotaggio 107 e della massa di rilevamento 108, inoltre, le espressioni “secondo un asse†e “in accordo a un asse†verranno utilizzate per indicare movimenti lungo un asse o attorno a un asse, secondo che i movimenti consentiti alle masse dai rispettivi gradi di libertà siano traslatori oppure rotatori, rispettivamente. Analogamente, le espressioni “secondo un grado di libertà †e “in accordo a un grado di libertà †saranno utilizzate per indicare movimenti traslatori o rotatori, come consentito dal grado di libertà medesimo. The piloting mass 107 is elastically connected by means of suspensions (not shown) to the fixed structure 106 so as to be able to oscillate around a rest position according to a translational or rotary degree of freedom. The sensing mass 108 is mechanically coupled to the piloting mass 107 so as to be driven in motion according to the degree of freedom of the piloting mass 107 itself. Furthermore, the sensing mass 108 is elastically connected to the piloting mass 107 so as to oscillate in turn with respect to the piloting mass 107 itself, with a respective further degree of translational or rotary freedom. In the embodiment described here, in particular, the piloting mass 107 is linearly movable along a piloting axis X, while the sensing mass 108 is movable with respect to the piloting mass 107 according to a detection axis Y perpendicular to the ™ piloting axis X. However, it is understood that the type of movement (translational or rotary) allowed by the degrees of freedom and the arrangement of the piloting and detection axes may vary according to the type of gyroscope. With reference to the movements of the piloting mass 107 and the sensing mass 108, moreover, the expressions â € œaccording to an axisâ € and â € œaccording to an axisâ € will be used to indicate movements along an axis or around an axis, according to that the movements allowed to the masses by their respective degrees of freedom are translational or rotary, respectively. Similarly, the expressions â € œaccording to a degree of freedomâ € and â € œaccording to a degree of freedomâ € will be used to indicate translational or rotational movements, as permitted by the degree of freedom itself.
Inoltre, la massa di pilotaggio 107 (con la massa di rilevamento 108) à ̈ collegata alla struttura fissa 106 in modo da definire un sistema meccanico risonante con una frequenza di risonanza (secondo l’asse di pilotaggio X). Furthermore, the driving mass 107 (with the sensing mass 108) is connected to the fixed structure 106 so as to define a resonant mechanical system with a resonant frequency (according to the driving axis X).
Come mostrato schematicamente in figura 3, la massa di pilotaggio 107 à ̈ capacitivamente accoppiata alla struttura fissa 106 mediante gruppi capacitivi di pilotaggio 110 (capacitive driving units), e gruppi capacitivi di rilevamento di retroazione 112 (capacitive feedback sensing units). L’accoppiamento capacitivo à ̈ di tipo differenziale ed à ̈ determinato dalla posizione relativa della massa di pilotaggio 107 rispetto alla struttura fissa 106. In particolare, i gruppi capacitivi di pilotaggio 110 e i gruppi capacitivi di rilevamento di retroazione 112 sono accessibili dall’esterno della microstruttura 102 rispettivamente attraverso terminali di pilotaggio 113 e terminali di rilevamento di retroazione 114. As shown schematically in Figure 3, the driving mass 107 is capacitively coupled to the fixed structure 106 by means of capacitive driving units 110 (capacitive driving units), and capacitive feedback sensing units 112 (capacitive feedback sensing units). The capacitive coupling is of the differential type and is determined by the relative position of the piloting mass 107 with respect to the fixed structure 106. In particular, the driving capacitive groups 110 and the feedback sensing capacitive groups 112 are accessible from the of the microstructure 102 respectively through driving terminals 113 and feedback sensing terminals 114.
La massa di rilevamento 108 à ̈ capacitivamente accoppiata alla struttura fissa 106 mediante capacitivi gruppi di rilevamento di segnale 115 (capacitive signal sensing units), accessibili dall’esterno terminali di rilevamento di segnale 116. Anche in questo caso, l’accoppiamento capacitivo à ̈ di tipo differenziale ed à ̈ determinato dalla posizione relativa della massa di rilevamento 108 rispetto alla struttura fissa 106. The sensing ground 108 is capacitively coupled to the fixed structure 106 by means of capacitive signal sensing units 115, accessible from the outside signal sensing terminals 116. Also in this case, the capacitive coupling It is of the differential type and is determined by the relative position of the sensing mass 108 with respect to the fixed structure 106.
A titolo di esempio, ma non necessariamente, la microstruttura 102 può essere realizzata come descritto nel brevetto europeo EP-A-1 253 399 per un giroscopio monoassiale. La microstruttura di un giroscopio multiassiale potrebbe essere realizzata ad esempio come descritto in dettaglio nella domanda di brevetto europea pubblicata EP-A-100 832 841 e nella corrispondente domanda di brevetto statunitense pubblicata US 2007/0214883 A1. By way of example, but not necessarily, the microstructure 102 can be made as described in the European patent EP-A-1 253 399 for a uniaxial gyroscope. The microstructure of a multiaxial gyroscope could be realized for example as described in detail in the published European patent application EP-A-100 832 841 and in the corresponding published US patent application US 2007/0214883 A1.
Il dispositivo di pilotaggio 103 à ̈ collegato ai terminali di pilotaggio 113 e ai terminali di rilevamento di retroazione 114 della microstruttura 102 in modo da formare, con la massa di pilotaggio 107, un anello microelettromeccanico 119. Il dispositivo di pilotaggio 103 à ̈ configurato in modo da mantenere l’anello microelettromeccanico 119 in oscillazione a una frequenza di pilotaggio wDprossima alla frequenza di risonanza del sistema meccanico definito dalla massa di pilotaggio 107 (con la massa di rilevamento 108) collegata alla struttura fissa 106. The driving device 103 is connected to the driving terminals 113 and to the feedback sensing terminals 114 of the microstructure 102 so as to form, with the driving mass 107, a microelectromechanical ring 119. The driving device 103 is configured in so as to keep the microelectromechanical ring 119 in oscillation at a driving frequency wD close to the resonant frequency of the mechanical system defined by the driving mass 107 (with the sensing mass 108) connected to the fixed structure 106.
Il dispositivo di rilevamento 105 à ̈ collegato ai terminali di rilevamento 116 e converte segnali indicativi dello spostamento della massa di rilevamento 108 in un segnale di uscita SOUTindicativo della velocità di rotazione della microstruttura 102. The sensing device 105 is connected to the sensing terminals 116 and converts signals indicative of the displacement of the sensing mass 108 into an output signal SOUT indicative of the rotational speed of the microstructure 102.
Più in dettaglio, il dispositivo di pilotaggio 103 comprende uno stadio di lettura e filtraggio 120, una amplificatore a guadagno variabile 121, un oscillatore 123, un comparatore 125, un circuito ad aggancio di fase o circuito PLL 126, un controllore 127, uno stadio di avvio 130 e uno stadio di forzamento 131. More in detail, the driving device 103 comprises a reading and filtering stage 120, a variable gain amplifier 121, an oscillator 123, a comparator 125, a phase-locked circuit or PLL circuit 126, a controller 127, a stage start 130 and a forcing stage 131.
Lo stadio di lettura e filtraggio 120 à ̈ collegato ai terminali di rilevamento di retroazione 114 della microstruttura 102 e fornisce un primo segnale di retroazione VFB1, indicativo delle condizioni di oscillazione della massa di pilotaggio 107. In particolare, il primo segnale di retroazione VFB1indicativo della velocità della massa di pilotaggio 107. In una diversa forma di realizzazione, il primo segnale di retroazione VFB1à ̈ indicativo della posizione della massa di pilotaggio 107. Inoltre, lo stadio di lettura e filtraggio 120 controlla la fase del primo segnale di retroazione VFB1in modo da garantire la condizione di oscillazione sulla fase per l’anello microelettromeccanico 119. The reading and filtering stage 120 is connected to the feedback detection terminals 114 of the microstructure 102 and supplies a first feedback signal VFB1, indicative of the oscillation conditions of the driving mass 107. In particular, the first feedback signal VFB1 indicative of the speed of the driving mass 107. In a different embodiment, the first feedback signal VFB1 is indicative of the position of the driving mass 107. Furthermore, the reading and filtering stage 120 controls the phase of the first feedback signal VFB1 so as to ensure the condition of oscillation on the phase for the microelectromechanical ring 119.
L’amplificatore a guadagno variabile 121 à ̈ accoppiato allo stadio di lettura e filtraggio 120 per ricevere il primo segnale di retroazione VFB1ed à ̈ selettivamente collegabile ai terminali di rilevamento di retroazione 114 della microstruttura 102 attraverso interruttori di bypass 128 (in effetti, fra l’amplificatore a guadagno variabile 121 e i terminali di rilevamento di retroazione 114 sono presenti sue linee di connessione e un interruttore di bypass 128 per ciascuna delle linee di connessione; per semplicità , in figura 3 à ̈ rappresentata una linea multipla con un solo interruttore). The variable gain amplifier 121 is coupled to the reading and filtering stage 120 to receive the first feedback signal VFB1 and is selectively connectable to the feedback sensing terminals 114 of the microstructure 102 through bypass switches 128 (in effect, between the variable gain amplifier 121 and the feedback sensing terminals 114 have its connection lines and a bypass switch 128 for each of the connection lines; for simplicity, figure 3 shows a multiple line with a single switch ).
L’oscillatore 123 à ̈ collegato allo stadio di avvio 130 per fornire un segnale di clock di riferimento CKR, costante e indipendente dalla frequenza di oscillazione della massa di pilotaggio 108. In particolare, il segnale di clock di riferimento CKRha frequenza calibrata a una frequenza di riferimento wR. The oscillator 123 is connected to the starting stage 130 to provide a reference clock signal CKR, constant and independent of the oscillation frequency of the driving mass 108. In particular, the reference clock signal CKR has a frequency calibrated to a reference frequency wR.
Il comparatore 125 à ̈ accoppiato allo stadio di lettura e filtraggio 120 per ricevere il primo segnale di retroazione VFB1ed à ̈ configurato per rilevare gli istanti di passaggio per lo zero (“zero-crossing†) dell’ingresso. In pratica, l’uscita del comparatore 125, che à ̈ collegata al circuito PLL 126 e allo stadio di avvio 130, fornisce un segnale di clock naturale CKNsincrono (in frequenza e fase) con le oscillazioni della massa di pilotaggio 108. Il circuito PLL 126 riceve il segnale di clock naturale CKNdal comparatore 125. Un’uscita del circuito PLL 126 à ̈ collegata a un ingresso di clock 127a del controllore 127 e fornisce un segnale di clock CK90, sfasato di 90° rispetto al segnale di clock naturale CKN. In pratica, il segnale di clock CK90commuta in presenza dei picchi del primo segnale di retroazione VFB1. The comparator 125 is coupled to the reading and filtering stage 120 to receive the first feedback signal VFB1 and is configured to detect the zero crossing instants of the input. In practice, the output of the comparator 125, which is connected to the PLL circuit 126 and to the starting stage 130, provides a natural clock signal CKN synchronous (in frequency and phase) with the oscillations of the driving mass 108. The circuit PLL 126 receives the natural clock signal CKN from comparator 125. An output of the PLL 126 circuit is connected to a clock input 127a of controller 127 and supplies a clock signal CK90, 90 ° out of phase with respect to the natural clock signal CKN. In practice, the clock signal CK90 commutes in the presence of the peaks of the first feedback signal VFB1.
Il controllore 127, ad esempio un controllore PI o PID, riceve il primo segnale di retroazione VFB1e il segnale di clock CK90e controlla il guadagno dell’amplificatore a guadagno variabile 121 mediante un segnale di controllo VC, in modo da garantire la condizione di oscillazione sull’ampiezza per l’anello microelettromeccanico 119. The controller 127, for example a PI or PID controller, receives the first feedback signal VFB1 and the clock signal CK90 and controls the gain of the variable gain amplifier 121 by means of a control signal VC, in order to guarantee the oscillation condition on the amplitude for the microelectromechanical ring 119.
Lo stadio di avvio 130 à ̈ selettivamente attivabile in risposta a valori attivi alternativamente di un segnale di accensione POR o di un segnale di uscita da power-down PD. Quando attivato, lo stadio di avvio 130 disabilita il circuito PLL mediante un segnale di abilitazione selettiva PD_PLL e controlla lo stadio di forzamento 131 mediante un segnale di avvio SST, come descritto più avanti. The starting stage 130 can be selectively activated in response to alternatively active values of a switch-on signal POR or an output signal from power-down PD. When activated, the start stage 130 disables the PLL circuit by means of a selective enable signal PD_PLL and controls the forcing stage 131 by means of a start signal SST, as described later.
Lo stadio di forzamento 131 à ̈ collegabile fra l’uscita dell’amplificatore a guadagno variabile 121 e i terminali di pilotaggio 113 della microstruttura 102 attraverso interruttori di avvio 133, 134, controllati mediante un segnale di attuazione SC, fornito dallo stadio di avvio 130. Gli interruttori di bypass 128 (controllati dal segnale di attuazione negato SCN) permettono di collegare l’uscita dell’amplificatore a guadagno variabile 121 direttamente ai terminali di pilotaggio 113, escludendo lo stadio di forzamento 131. In particolare, gli interruttori di avvio 133, 134 sono comandati da un segnale di controllo SC, generato dallo stadio di avvio 130, mentre l’interruttore di bypass 128 à ̈ comandato dal segnale di controllo negato SCN. The forcing stage 131 can be connected between the output of the variable gain amplifier 121 and the driving terminals 113 of the microstructure 102 through start switches 133, 134, controlled by an actuation signal SC, supplied by the start stage 130. The bypass switches 128 (controlled by the negated actuation signal SCN) allow to connect the output of the variable gain amplifier 121 directly to the driving terminals 113, excluding the forcing stage 131. In particular, the switches 133, 134 are controlled by a control signal SC, generated by the start stage 130, while the bypass switch 128 is controlled by the negated control signal SCN.
Lo stadio di forzamento 131 à ̈ comandato dallo stadio di avvio 130 attraverso il segnale di avvio SST. In particolare, lo stadio di forzamento 131 à ̈ configurato per applicare alla massa di pilotaggio 107 pacchetti di segnale di forzamento VFdi durata controllata e programmata alla frequenza del segnale di clock di riferimento CKR, in risposta al segnale di avvio SST. La durata di ciascun pacchetto di segnale di forzamento VF(in pratica la durata del segnale sinusoidale o il numero di impulsi) e l’ampiezza di segnale determinano l’energia complessivamente trasferita alla massa di pilotaggio 107. I pacchetti di segnale di forzamento VFsono definiti in modo che l’energia trasferita alla massa di pilotaggio 107 da ciascun pacchetto sia inferiore all’energia necessaria a portare la massa mobile in oscillazione stabile alla frequenza di pilotaggio wDa partire da una condizione di quiete. In una forma di realizzazione, in particolare, i pacchetti di segnale di forzamento VFhanno una prima durata T1programmabile (figura 5), quando lo stadio di avvio 130 e lo stadio di forzamento 131 sono attivati in risposta a un valore attivo del segnale di avvio POR; e una seconda durata T2, programmabile e minore della prima durata T1, quando lo stadio di avvio 130 e lo stadio di forzamento 131 sono attivati in risposta a un valore attivo del segnale di uscita da power-down PD. Ad esempio, la prima durata T1à ̈ 10 ms e la seconda durata T2à ̈ 2 ms. The forcing stage 131 is controlled by the start stage 130 via the start signal SST. In particular, the forcing stage 131 is configured to apply to the driving ground 107 forcing signal packets VF of controlled and programmed duration at the frequency of the reference clock signal CKR, in response to the start signal SST. The duration of each VF forcing signal packet (in practice the duration of the sinusoidal signal or the number of pulses) and the signal amplitude determine the total energy transferred to the driving mass 107. The forcing signal packets VF are defined in such a way that the energy transferred to the driving mass 107 by each packet is less than the energy necessary to bring the mobile mass into stable oscillation at the driving frequency wD starting from a condition of rest. In one embodiment, in particular, the forcing signal packets VF have a programmable first duration T1 (Figure 5), when the start stage 130 and the forcing stage 131 are activated in response to an active value of the start signal POR ; and a second duration T2, programmable and shorter than the first duration T1, when the starting stage 130 and the forcing stage 131 are activated in response to an active value of the output signal from power-down PD. For example, the first T1 duration is 10 ms and the second T2 duration is 2 ms.
Il giroscopio 100 opera essenzialmente come già descritto per il dispositivo 1 di figura 1. The gyroscope 100 operates essentially as already described for the device 1 of Figure 1.
In una modalità operativa normale, lo stadio di lettura e filtraggio 120 e l’amplificatore a guadagno variabile 121 cooperano per mantenere in oscillazione l’anello microelettromeccanico 119 alla frequenza di pilotaggio wD, mentre lo stadio di forzamento 131 à ̈ escluso e inattivo. In a normal operating mode, the reading and filtering stage 120 and the variable gain amplifier 121 cooperate to keep the microelectromechanical ring 119 in oscillation at the driving frequency wD, while the forcing stage 131 is excluded and inactive .
In caso di rotazione attorno a un asse giroscopico, la massa di rilevamento 108 à ̈ soggetta a una accelerazione di Coriolis proporzionale alla velocità di rotazione, che viene trasdotta nel segnale di uscita SOUTdal dispositivo di rilevamento 105. In case of rotation around a gyroscopic axis, the sensing mass 108 is subjected to a Coriolis acceleration proportional to the rotation speed, which is transduced into the output signal SOUT by the sensing device 105.
All’avvio del giroscopio 100 o all’uscita da condizioni di power-down, lo stadio di avvio 130 e lo stadio di forzamento 131 vengono attivati. Contestualmente, gli interruttori di avvio 133, 134 e l’interruttore di bypass 128 commutano e il circuito PLL 126 viene disabilitato dallo stadio di avvio. When starting the gyro 100 or exiting power-down conditions, the starting stage 130 and the forcing stage 131 are activated. At the same time, the start switches 133, 134 and the bypass switch 128 switch and the PLL circuit 126 is disabled by the start stage.
Lo stadio di avvio 130, attraverso il segnale di avvio SST, richiede allo stadio di forzamento di inviare un pacchetto di segnale di forzamento VFalla massa di pilotaggio 107, che inizia a oscillare con frequenza crescente. Nuovi pacchetti di segnale di forzamento VFvengono ripetutamente inviati fino a quando la frequenza del segnale di clock naturale CKN, che à ̈ uguale alla frequenza attuale wAdi oscillazione della massa di pilotaggio 107, rientra stabilmente in un intervallo di ammissibilità I attorno alla frequenza di riferimento wR, ad esempio I = wR± X%. In una forma di realizzazione, la condizione à ̈ considerata verificata se la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNpermane all’interno dell’intervallo di ammissibilità I per una terza durata T3, quando l’attivazione dello stadio di avvio 130 e dello stadio di forzamento 131 à ̈ determinata dal valore attivo del segnale di avvio POR; e se la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNpermane all’interno dell’intervallo di ammissibilità I per una quarta durata T4, minore della terza durata T3, quando l’attivazione dello stadio di avvio 130 e dello stadio di forzamento 131 à ̈ determinata dal valore attivo del segnale di uscita da power-down PD. The starting stage 130, through the start signal SST, requests the forcing stage to send a forcing signal packet VF to the driving mass 107, which begins to oscillate with increasing frequency. New forcing signal packets VF are repeatedly sent until the frequency of the natural clock signal CKN, which is equal to the current frequency wAdi of drive mass oscillation 107, is stably within an allowance range I around the reference frequency wR , for example I = wR ± X%. In one embodiment, the condition is considered verified if the current frequency wA of the natural clock signal CKN remains within the admissibility interval I for a third duration T3, when the activation of the start stage 130 and of the forcing stage 131 is determined by the active value of the start signal POR; and if the current frequency wA of the natural clock signal CKN remains within the admissibility interval I for a fourth duration T4, less than the third duration T3, when the activation of the starting stage 130 and of the forcing stage 131 It is determined by the active value of the power-down PD output signal.
Quando la condizione à ̈ verificata, lo stadio di avvio 130 attiva il circuito PLL 126 mediante il segnale di abilitazione selettiva PD_PLL. Dopo un transitorio, il circuito PLL 126 si aggancia all’oscillazione della massa di pilotaggio 108. A questo punto, la modalità operativa normale viene ripristinata e lo stadio di avvio 130 e lo stadio di forzamento 131 vengono disattivati. When the condition is verified, the start stage 130 activates the PLL circuit 126 by means of the selective enable signal PD_PLL. After a transient, the PLL circuit 126 locks into the oscillation of the driving mass 108. At this point, the normal operating mode is restored and the starting stage 130 and the forcing stage 131 are deactivated.
In pratica, lo stadio di avvio decide se applicare ulteriori pacchetti di segnale di forzamento VFalla massa di pilotaggio 107 in base al confronto fra la frequenza attuale wA, a cui oscilla l’anello microelettromeccanico 119, e la frequenza di riferimento wR. Se le due frequenze sono sufficientemente vicine e quindi il circuito PLL 126 à ̈ in condizione di agganciare rapidamente le oscillazioni dell’anello microelettromeccanico 119, la sequenza di pacchetti di segnale di forzamento VFviene interrotta, diversamente viene proseguita. In practice, the starting stage decides whether to apply further forcing signal packets VF to the driving mass 107 based on the comparison between the current frequency wA, at which the microelectromechanical ring 119 oscillates, and the reference frequency wR. If the two frequencies are sufficiently close together and therefore the PLL 126 circuit is in a position to rapidly lock the oscillations of the microelectromechanical ring 119, the sequence of forcing signal packets VF is interrupted, otherwise it is continued.
Vantaggiosamente, in questo caso, il transitorio di aggancio del circuito PLL 126 viene drasticamente ridotto, oltre ad avere ridotto il tempo complessivo per mettere in oscillazione la massa di pilotaggio 107 e evitato rischi di collisione delle parti mobili della microstruttura 102 con la struttura fissa 106. Advantageously, in this case, the locking transient of the PLL circuit 126 is drastically reduced, in addition to having reduced the overall time for oscillating the piloting mass 107 and avoiding the risk of collision of the moving parts of the microstructure 102 with the fixed structure 106 .
In figura 4 à ̈ illustrato più in dettaglio lo stadio di avvio 130, che comprende un modulo di verifica clock 135, un modulo di pilotaggio avviamento 136, un contatore di interrupt 137 e un modulo di controllo PLL 138. Figure 4 illustrates in more detail the start stage 130, which comprises a clock check module 135, a start driver module 136, an interrupt counter 137 and a control module PLL 138.
Il modulo di verifica clock 135 à ̈ collegato al comparatore 125 e all’oscillatore 123 per ricevere rispettivamente il segnale di clock naturale CKNe il segnale di clock di riferimento CKRed à ̈ strutturato per verificare la permanenza del segnale di clock naturale CKNnell’intervallo di ammissibilità I. Il modulo di verifica clock 135 fornisce un segnale di aggancio clock CK_LOCK che ha un valore (logico) di aggancio, quando il segnale di clock naturale CKNà ̈ interno all’intervallo di ammissibilità I e un valore (logico) di frequenza asincrona in caso contrario. The clock check module 135 is connected to the comparator 125 and to the oscillator 123 to receive respectively the natural clock signal CKN and the reference clock signal CKRed is structured to verify the permanence of the natural clock signal CKN in the interval I. The clock verification module 135 provides a clock lock signal CK_LOCK which has a (logical) lock value, when the natural clock signal CKN is within the admissibility range I and a (logical) value of otherwise asynchronous frequency.
Il modulo di pilotaggio avviamento 136 e il modulo di controllo PLL 138 sono accoppiati al modulo di verifica clock 135 per ricevere il segnale di aggancio clock CK_LOCK. The starter driver module 136 and the PLL control module 138 are coupled to the clock check module 135 to receive the clock latch signal CK_LOCK.
Il modulo di pilotaggio avviamento 136 fornisce il segnale di avvio SSTe assegna ad esso il valore attivo quando il segnale di aggancio clock CK_LOCK ha il valore di aggancio. Inoltre, al termine di ogni pacchetto di segnale di forzamento VFfornito dallo stadio di forzamento 131 durante uno stesso transitorio di avviamento del giroscopio 100, il modulo di pilotaggio avviamento 136 incrementa il contatore di interrupt 137. The start driver module 136 supplies the start signal SST and assigns the active value to it when the clock latch signal CK_LOCK has the latch value. Furthermore, at the end of each forcing signal packet VF supplied by the forcing stage 131 during the same starting transient of the gyroscope 100, the starting driver module 136 increments the interrupt counter 137.
Il contatore di interrupt 137, se viene raggiunta una soglia di conteggio TH, genera un segnale di interrupt INT che viene reso disponibile all’esterno del giroscopio 100 attraverso un terminale di interrupt 100a. In una forma di realizzazione, il segnale di interrupt INT viene generato attraverso una rete logica (qui non illustrata) associata al contatore di interrupt 137. The interrupt counter 137, if a counting threshold TH is reached, generates an interrupt signal INT which is made available outside the gyro 100 through an interrupt terminal 100a. In one embodiment, the interrupt signal INT is generated through a logic network (not shown here) associated with the interrupt counter 137.
Il modulo di controllo PLL 138 imposta il valore del segnale di abilitazione selettiva PD_PLL. In particolare, quando il segnale di aggancio clock CK_LOCK ha il valore di frequenza asincrona (ossia quando il segnale di clock naturale CKNà ̈ al di fuori dell’intervallo di ammissibilità I), il segnale di abilitazione selettiva PD_PLL viene posto a un valore (logico) di disabilitazione, che porta il circuito PLL 126 in condizione inattiva (di power-down). Quando il segnale di aggancio clock CK_LOCK mantiene il valore di aggancio per una quinta durata T5(in caso di accensione del giroscopio 100) o una sesta durata T6(minore della quinta durata T5, in caso di uscita da condizione di power-down del giroscopio 100), il segnale di abilitazione selettiva PD_PLL viene posto a un valore (logico) di abilitazione, in presenza del quale il circuito PLL 126 à ̈ abilitato e opera normalmente. The control module PLL 138 sets the value of the selective enable signal PD_PLL. In particular, when the clock locking signal CK_LOCK has the asynchronous frequency value (i.e. when the natural clock signal CKN is outside the admissibility interval I), the selective enabling signal PD_PLL is set to a value ( logic) for disabling, which brings the PLL circuit 126 to an inactive (power-down) condition. When the clock lock signal CK_LOCK maintains the lock value for a fifth duration T5 (in case of turning on the gyro 100) or a sixth duration T6 (less than the fifth duration T5, in case of exit from the power-down condition of the gyroscope 100), the selective enabling signal PD_PLL is set to an enabling (logic) value, in the presence of which the PLL 126 circuit is enabled and operates normally.
La figura 5 mostra più in dettaglio il modulo di verifica clock 135, che comprende un primo contatore di clock 140, un secondo contatore di clock 141 e un elemento di abilitazione 143 e un comparatore di conteggio 145. Figure 5 shows in more detail the clock check module 135, which comprises a first clock counter 140, a second clock counter 141 and an enabling element 143 and a count comparator 145.
Il primo contatore di clock 140 ha un ingresso di conteggio accoppiato all’oscillatore 123 per ricevere il segnale di clock di riferimento CKRe memorizza un primo valore di conteggio C1. Inoltre, il primo contatore di clock 140 à ̈ provvisto di una rete logica sincronizzazione 144, che genera un segnale di sincronizzazione SSYNC. Il segnale di sincronizzazione SSYNCviene alimentato all’elemento di abilitazione 143 e al comparatore di conteggio 145 e ha un valore di abilitazione, quando il primo valore di conteggio C1memorizzato nel primo contatore di clock 140 à ̈ inferiore a un valore di controllo C1*. Quando il valore di controllo C1* viene raggiunto, il segnale di sincronizzazione SSYNCcommuta a un valore di disabilitazione e, inoltre, il primo contatore di clock 140 viene azzerato (reset). The first clock counter 140 has a count input coupled to the oscillator 123 for receiving the reference clock signal CKR and stores a first count value C1. Furthermore, the first clock counter 140 is provided with a synchronization logic network 144, which generates a synchronization signal SSYNC. The synchronization signal SSYNC is fed to the enabling element 143 and to the counting comparator 145 and has an enable value, when the first count value C1 stored in the first clock counter 140 is less than a control value C1 *. When the control value C1 * is reached, the synchronization signal SSYNC switches to a disable value and, in addition, the first clock counter 140 is reset.
Il secondo contatore di clock 141 ha un ingresso di conteggio accoppiato al comparatore 125, per ricevere il segnale di clock naturale CKN, e un ingresso di abilitazione collegato all’elemento di abilitazione 143. Il secondo contatore di clock 141 memorizza un secondo valore di conteggio C2, che viene incrementato a ogni ciclo del segnale di clock naturale CKNquando il secondo contatore di clock 141 à ̈ abilitato. The second clock counter 141 has a counting input coupled to the comparator 125, to receive the natural clock signal CKN, and an enabling input connected to the enabling element 143. The second clock counter 141 stores a second value of count C2, which is incremented with each cycle of the natural clock signal CKN when the second clock counter 141 is enabled.
L’elemento di abilitazione 143 à ̈, ad esempio, un bistabile di tipo DT e riceve il segnale di sincronizzazione SSYNCsu un ingresso dato dal primo contatore di clock 140 e il segnale di clock naturale CKNsu un ingresso di temporizzazione dal comparatore 125. In questo modo, l’elemento di abilitazione 143 trasferisce il valore del segnale di sincronizzazione SSYNCall’ingresso di abilitazione del secondo contatore di clock 141, che quindi viene incrementato ad ogni ciclo del segnale di clock naturale CKN, fino a quando il segnale di sincronizzazione SSYNCpermane al valore di abilitazione (ossia finché il primo contatore di clock 140 raggiunge il valore di controllo C1*. Il segnale di temporizzazione naturale CKN sull’ingresso di temporizzazione dell’elemento di abilitazione 143 evita commutazioni spurie ed errori del secondo contatore di clock 141. The enabling element 143 is, for example, a flip-flop of the DT type and receives the synchronization signal SSYNC on an input given by the first clock counter 140 and the natural clock signal CKN on a timing input from the comparator 125. In in this way, the enabling element 143 transfers the value of the synchronization signal SSYNC to the enabling input of the second clock counter 141, which is then incremented at each cycle of the natural clock signal CKN, until the synchronization SSYNC remains at the enable value (i.e. until the first clock counter 140 reaches the control value C1 *. The natural timing signal CKN on the timing input of the enabling element 143 avoids spurious switching and errors of the second clock counter 141.
Il comparatore di conteggio 145 Ã ̈ accoppiato al primo contatore di clock 140, dal quale riceve anche il segnale di sincronizzazione SSYNC, e al secondo contatore di clock 141. Il comparatore di conteggio 145 fornisce in uscita il segnale di aggancio clock CK_LOCK e ne determina il valore come di seguito descritto. The counting comparator 145 is coupled to the first clock counter 140, from which it also receives the synchronization signal SSYNC, and to the second clock counter 141. The counting comparator 145 outputs the clock locking signal CK_LOCK and determines it the value as described below.
Quando il primo contatore di clock 140 inizia un conteggio dopo essere stato azzerato, il segnale di sincronizzazione SSYNCcommuta al valore di abilitazione (figura 6). Il secondo contatore di clock 141 à ̈ abilitato e viene incrementato a ogni ciclo del segnale di clock naturale CKN, in modo indipendente rispetto al primo contatore di clock 140. Inoltre, la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNcresce via via, per effetto dei pacchetti di segnale di forzamento VFforniti dallo stadio di forzamento 131. L’aumento di frequenza del segnale di clock naturale CKNà ̈ illustrato in modo esagerato in figura 6. When the first clock counter 140 begins a count after being cleared, the synchronization signal SSYNC switches to the enable value (FIG. 6). The second clock counter 141 is enabled and is incremented at each cycle of the natural clock signal CKN, independently of the first clock counter 140. Furthermore, the current frequency wA of the natural clock signal CKN gradually increases, due to the effect of the VF forcing signal packets provided by forcing stage 131. The frequency increase of the natural clock signal CKN is exaggeratedly illustrated in Figure 6.
Quando il primo contatore di clock 140 raggiunge il valore di controllo C1*, il segnale di sincronizzazione SSYNCcommuta al valore di disabilitazione e il valore finale di conteggio C2* memorizzato nel secondo contatore di clock 141 viene congelato. When the first clock counter 140 reaches the control value C1 *, the synchronization signal SSYNC switches to the disable value and the final count value C2 * stored in the second clock counter 141 is frozen.
Inoltre, il comparatore di conteggio 145 preleva il valore di controllo C1* e il valore finale di conteggio C2* rispettivamente dal primo contatore di clock 140 e dal secondo contatore di clock 141 e assegna un valore al segnale di aggancio clock CK_LOCK secondo che la condizione di aggancio: Furthermore, the count comparator 145 takes the control value C1 * and the final count value C2 * from the first clock counter 140 and the second clock counter 141 respectively and assigns a value to the clock latch signal CK_LOCK according to that the condition coupling:
C<1>* -C<2>* C <1> * -C <2> *
£<X>£ <X>
C1* C1 *
sia verificata o meno. is verified or not.
Più precisamente, se il valore di controllo C1* e il valore finale di conteggio C2* soddisfano la condizione di aggancio, al segnale di aggancio clock CK_LOCK viene assegnato il valore di aggancio. In questo caso, infatti, la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNà ̈ vicina alla frequenza di riferimento wRdel segnale di clock asincrono CKRe quindi alla frequenza di pilotaggio wD. In particolare, la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNpermette al circuito PLL 126 di effettuare rapidamente l’aggancio di fase e quindi l’anello microelettromeccanico 119 à ̈ presto in condizione di autosostenere l’oscillazione. More precisely, if the control value C1 * and the final count value C2 * satisfy the lock condition, the lock value is assigned to the clock lock signal CK_LOCK. In this case, in fact, the current frequency wA of the natural clock signal CKN is close to the reference frequency wR of the asynchronous clock signal CKR and therefore to the driving frequency wD. In particular, the current frequency wAd of the natural clock signal CKN allows the PLL 126 circuit to rapidly effect the phase locking and therefore the microelectromechanical ring 119 is soon in a condition of self-sustaining the oscillation.
In caso contrario, ossia se la disuguaglianza non à ̈ verificata, il comparatore di conteggio 145 assegna al segnale di aggancio clock CK_LOCK il valore di frequenza asincrona. Otherwise, ie if the inequality is not verified, the counting comparator 145 assigns the asynchronous frequency value to the clock locking signal CK_LOCK.
In figura 7 à ̈ illustrato il modulo di pilotaggio avviamento 136, che comprende un blocco generatore 150 e un elemento di memoria 151, in cui sono registrate la prima durata T1(durata di un singolo pacchetto di segnale di forzamento VFin fase di accensione) e la seconda durata T2(durata di uno singolo pacchetti di segnale di forzamento VFin fase di uscita da power-down). Come accennato, la durata di un singolo pacchetti di segnale di forzamento VFall’uscita da power-down (seconda durata T2) à ̈ inferiore alla durata di un singolo pacchetti di segnale di forzamento VFall’avvio (prima durata T1). Figure 7 illustrates the starting control module 136, which comprises a generator block 150 and a memory element 151, in which the first duration T1 (duration of a single forcing signal packet VF in the ignition phase) and the second duration T2 (duration of a single packet of forcing signal VF in the output phase from power-down). As mentioned, the duration of a single VFallâ € ™ forcing signal packet output from power-down (second duration T2) is less than the duration of a single VFallâ € ™ start forcing signal packet (first duration T1).
Il blocco generatore 150 à ̈ accoppiato al comparatore di conteggio 145 del modulo di verifica clock 130 per ricevere il segnale di aggancio clock CK_LOCK e, selettivamente in presenza del valore di frequenza asincrona del segnale di aggancio clock CK_LOCK, fornisce il segnale di avvio SSTper lo stadio di forzamento 131. Il valore di durata del pacchetti di segnale di forzamento VFviene fornito dall’elemento di memoria 151 in base ai valori del segnale di avvio POR e del segnale di uscita da power-down PD. The generator block 150 is coupled to the count comparator 145 of the clock verification module 130 to receive the clock locking signal CK_LOCK and, selectively in the presence of the asynchronous frequency value of the clock locking signal CK_LOCK, provides the start signal SST for the forcing stage 131. The duration value of the forcing signal packet VF is supplied by the memory element 151 based on the values of the start signal POR and the output signal from power-down PD.
In figura 8 à ̈ illustrata una porzione di un sistema elettronico 200 in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione. Il sistema 200 incorpora un dispositivo microelettromeccanico (ad esempio, ma non necessariamente, il giroscopio 100) e può essere utilizzato in dispositivi come, ad esempio, un calcolatore palmare (personal digital assistant, PDA), calcolatore “laptop†o portatile, eventualmente con capacità “wireless†, un telefono cellulare, un dispositivo di messaggistica, un lettore musicale digitale, una camera digitale o altri dispositivi atti a elaborare, immagazzinare, trasmettere o ricevere informazioni. Ad esempio, il giroscopio 1 può essere utilizzato in una camera digitale per rilevare movimenti ed effettuare una stabilizzazione di immagine. In altre forme di realizzazione, il giroscopio 1 à ̈ incluso in un calcolatore portatile, un PDA, o un telefono cellulare per rilevare una condizione di caduta libera e attivare una configurazione di sicurezza. In un’ulteriore forma di realizzazione, il giroscopio 1 à ̈ incluso in un’interfaccia utente attivata da movimento per calcolatori o console per videogiochi. In un’ulteriore forma di realizzazione, il giroscopio 1 à ̈ incorporato in un dispositivo di navigazione satellitare ed à ̈ utilizzato per il tracciamento temporaneo di posizione in caso di perdita del segnale di posizionamento satellitare. Figure 8 illustrates a portion of an electronic system 200 according to an embodiment of the present invention. The system 200 incorporates a microelectromechanical device (for example, but not necessarily, the gyroscope 100) and can be used in devices such as, for example, a handheld computer (personal digital assistant, PDA), â € œlaptopâ € or portable computer, possibly with â € œwirelessâ € capability, a mobile phone, a messaging device, a digital music player, a digital camera or other devices capable of processing, storing, transmitting or receiving information. For example, gyro 1 can be used in a digital camera to detect motion and perform image stabilization. In other embodiments, the gyroscope 1 is included in a portable computer, PDA, or cell phone for detecting a free fall condition and activating a safety configuration. In a further embodiment, gyro 1 is included in a motion-activated user interface for computers or video game consoles. In a further embodiment, the gyroscope 1 is incorporated in a satellite navigation device and is used for temporary position tracking in case of loss of the satellite positioning signal.
Il sistema elettronico 200 può comprendere un controllore 210, un dispositivo di ingresso/uscita (I/O) 220 (ad esempio una tastiera o uno schermo), il giroscopio 1, un’interfaccia “wireless†240 e una memoria 260, di tipo volatile o non volatile, accoppiati fra loro attraverso un bus 250. in una forma di realizzazione, una batteria 280 può essere utilizzata per alimentare il sistema 200. Si noti che l’ambito della presente invenzione non à ̈ limitato a forme di realizzazione aventi necessariamente uno o tutti i dispositivi elencati. The electronic system 200 can comprise a controller 210, an input / output (I / O) device 220 (for example a keyboard or a screen), the gyroscope 1, a â € œwirelessâ € 240 interface and a memory 260, volatile or non-volatile type, coupled together through a bus 250. In one embodiment, a battery 280 can be used to power the system 200. Note that the scope of the present invention is not limited to forms of realization necessarily having one or all of the listed devices.
Il controllore 210 può comprendere, ad esempio, uno o più microprocessori, microcontrollori e simili. The controller 210 may include, for example, one or more microprocessors, microcontrollers and the like.
Il dispositivo di I/O 220 può essere utilizzato per generare un messaggio. Il sistema 200 può utilizzare l’interfaccia wireless 240 per trasmettere e ricevere messaggi a e da una rete di comunicazione wireless con un segnale a radiofrequenza (RF). Esempi di interfaccia wireless possono comprendere un’antenna, un ricetrasmettitore wireless, come un’antenna a dipolo, benché l’ambito della presente invenzione non sia limitato sotto questo aspetto. Inoltre, il dispositivo I/O 220 può fornire una tensione rappresentativa di ciò che à ̈ memorizzato sia in forma di uscita digitale (se sono state immagazzinate informazioni digitali), sia in forma di informazione analogica (se sono state immagazzinate informazioni analogiche). The 220 I / O device can be used to generate a message. The 200 system can use the 240 wireless interface to transmit and receive messages to and from a wireless communications network with a radio frequency (RF) signal. Examples of a wireless interface may include an antenna, a wireless transceiver, such as a dipole antenna, although the scope of the present invention is not limited in this respect. In addition, the I / O device 220 can provide a voltage representative of what is stored either in the form of a digital output (if digital information has been stored) or in the form of analog information (if analog information has been stored).
Risulta infine evidente che al metodo e al dispositivo descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definita nelle rivendicazioni allegate. Finally, it is evident that modifications and variations can be made to the described method and device, without departing from the scope of the present invention, as defined in the attached claims.
Claims (17)
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2009
- 2009-12-21 IT ITTO2009A001017A patent/IT1397592B1/en active
Patent Citations (2)
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