ITTO20110688A1 - Giroscopio microelettromeccanico con funzione di autocalibrazione e metodo di calibrazione di un giroscopio microelettromeccanico - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
“GIROSCOPIO MICROELETTROMECCANICO CON FUNZIONE DI AUTOCALIBRAZIONE E METODO DI CALIBRAZIONE DI UN GIROSCOPIO MICROELETTROMECCANICOâ€
La presente invenzione à ̈ relativa a un giroscopio microelettromeccanico con funzione di autocalibrazione e a un metodo di calibrazione di un giroscopio microelettromeccanico.
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.
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.
In particolare, 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.
Come accennato, la struttura dei giroscopi MEMS à ̈ piuttosto complessa e, tra l’altro, l’esatta configurazione delle masse e degli elettrodi necessari per il pilotaggio e il rilevamento influisce sull’accoppiamento capacitivo. In pratica, inevitabili imperfezioni dovuti a dispersioni di processo si traducono in errori sistematici che alterano i risultati delle misure. Ad esempio, un difetto negli elementi elastici di sospensione che vincolano le masse allo statore può causare uno spostamento rispetto alla posizione di riposo teorica e quindi uno sbilanciamento nelle capacità . Lo sbilanciamento sistematico dovuto alle disperisioni di processo (offset) ha però un peso notevole e di regola à ̈ molto superiore allo sbilanciamento provocato dalla grandezza misurata (in particolare, una velocità angolare). Anche se l’offset viene traslato in frequenza mediante demodulazione e successivamente filtrato, la dinamica dei componenti che intervengono nell’elaborazione prima del filtraggio à ̈ severamente limitata. In altre parole, la dinamica viene quasi saturata dall’offset e la frazione disponibile per il segnale viene conseguentemente compressa. Inoltre, anche quando la dinamica disponibile per il segnale utile à ̈ sufficiente, la demodulazione e il filtraggio non possono sopprimere totalmente il contributo di offset, che si presenta in forma analoga al rumore sull’uscita. Anche questo aspetto può limitare seriamente l’utilizzo dei giroscopi microelettromeccanici, specialmente per le applicazioni per cui à ̈ richiesto un bassissimo livello di rumore.
Per questo motivo, i giroscopi vengono calibrati in fabbrica utilizzando capacità ausiliarie aventi valore variabile, che viene selezionato in modo da compensare gli offset.
Questa soluzione non à ̈ tuttavia soddisfacente, perché gli offset legati alla struttura, specialmente dovuti a sbilanciamento capacitivo, non sono stabili e dipendono fortemente dalle condizioni, in particolare dalla temperatura. Anche le sole sollecitazioni termiche durante le fasi di saldatura dei dispositivi possono causare derive importanti e vanificare l’effetto della calibrazione. Allo stesso modo, variazioni di temperatura in uso rispetto alle condizioni di calibrazione possono modificare l’offset e alterare le misure introducendo errori sistematici. Un altro fattore che può influire sull’offset in modo rilevante à ̈ l’invecchiamento.
Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un giroscopio microelettromeccanico e un metodo di calibrazione di un giroscopio microelettromeccanico che permettano di superare le limitazioni descritte e, in particolare, di attenuare almeno alcuni degli errori sistematici che si possono presentare durante la vita del dispositivo.
Secondo la presente invenzione vengono realizzati un giroscopio microelettromeccanico e un metodo di calibrazione di un giroscopio microelettromeccanico come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 13.
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:
- la figura 1 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un giroscopio microelettromeccanico in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 2 à ̈ una vista in pianta dall’alto di un dettaglio ingrandito del sensore di figura 1;
- la figura 3 à ̈ uno schema a blocchi più dettagliato del giroscopio di figura 1 in una prima configurazione operativa;
- la figura 4 à ̈ uno schema a blocchi più dettagliato del giroscopio di figura 1 in una seconda configurazione operativa;
- la figura 5 Ã ̈ una diagramma di flusso relativo a una prima procedura di calibrazione eseguita dal giroscopio di figura 1;
- la figura 6 Ã ̈ una diagramma di flusso relativo a una seconda procedura di calibrazione eseguita dal giroscopio di figura 1;
- la figura 7 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un giroscopio microelettromeccanico in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione, in una prima configurazione operativa;
- la figura 8 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di del giroscopio di figura 7 in una seconda configurazione operativa; e
- la figura 9 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un sistema elettronico incorporante un sensore microelettromeccanico secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
La figura 1 mostra nel complesso un giroscopio 1 microelettromeccanico, che comprende una microstruttura 2, realizzata in materiale semiconduttore, un dispositivo di pilotaggio 3, un generatore di lettura 4, un dispositivo di lettura 5 e un’unità di controllo 10.
La microstruttura 2 à ̈ realizzata in materiale semiconduttore e comprende una struttura di supporto 6, una massa di pilotaggio 7 e almeno una massa di rilevamento 8. 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 8. Quanto di seguito descritto si applica tuttavia anche nel caso di giroscopi multiassiali, che comprendono due o più masse o sistemi di masse di rilevamento, per rilevare rotazioni secondo rispettivi assi indipendenti.
La massa di pilotaggio 7 à ̈ vincolata elasticamente alla struttura di supporto 6 in modo da poter oscillare attorno a una posizione di riposo secondo un grado di libertà traslatorio o rotatorio. La massa di rilevamento 8 à ̈ meccanicamente accoppiata alla massa di pilotaggio 7 in modo da essere trascinata in moto secondo il grado di libertà della massa di pilotaggio 7 stessa. Inoltre, la massa di rilevamento 8 à ̈ vincolata elasticamente alla massa di pilotaggio 7 in modo da oscillare a sua volta rispetto alla massa di pilotaggio 7 stessa, con un rispettivo ulteriore grado di libertà .
Nella forma di realizzazione qui descritta, in particolare, la massa di pilotaggio 7 à ̈ mobile linearmente lungo un asse di pilotaggio X, mentre la massa di rilevamento 8 à ̈ mobile rispetto alla massa di pilotaggio 7 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 7 e della massa di rilevamento 8, inoltre, le espressioni “secondo un asse†e “in accordo a un asse†verranno indifferentemente 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 (lungo un asse) oppure rotatori (attorno a un asse), rispettivamente. Analogamente, le espressioni “secondo un grado di libertà †e “in accordo a un grado di libertà †saranno indifferentemente utilizzate per indicare movimenti traslatori o rotatori, come consentito dal grado di libertà medesimo.
Inoltre, la massa di pilotaggio 7 (con la massa di rilevamento 8) à ̈ collegata alla struttura di supporto 6 in modo da definire un sistema meccanico risonante con una frequenza di risonanza wR(secondo l’asse di pilotaggio X).
La massa di rilevamento 8 à ̈ collegata elettricamente alla massa di pilotaggio 7, senza interposizione di strutture isolanti. Pertanto, la massa di rilevamento 8 e la massa di pilotaggio 7 si trovano allo stesso potenziale. La massa di rilevamento 8 à ̈ inoltre capacitivamente accoppiata alla struttura di supporto 6 mediante gruppi di rilevamento di segnale 15 (signal sensing units, figura 2). Più precisamente, i gruppi di rilevamento di segnale 15 comprendono primi e secondi elettrodi fissi di rilevamento 15a, 15b, ancorati alla struttura di supporto 6, ed elettrodi mobili di rilevamento 15c, ancorati alla massa di rilevamento 8 e interposti fra rispettivi primi elettrodi fissi di rilevamento 15a e secondi elettrodi fissi di rilevamento 15b. L’accoppiamento capacitivo à ̈ di tipo differenziale ed à ̈ ottenuto mediante elettrodi a piatti paralleli, perpendicolari alla direzione di rilevamento Y. Inoltre, i primi e secondi elettrodi fissi di rilevamento 15a, 15b dei gruppi di rilevamento di segnale 15 sono elettricamente collegati rispettivamente a un primo e a un secondo terminale di rilevamento di segnale 16a, 16b della microstruttura 2. In pratica, la massa di rilevamento 8 à ̈ accoppiata ai terminali di rilevamento di segnale 16a, 16b attraverso capacità differenziali di rilevamento di segnale CSS1, CSS2.
Il dispositivo di pilotaggio 3, che à ̈ realizzato ad esempio come descritto in EP-A-2 259 019, a nome della stessa Richiedente, à ̈ collegato alla microstruttura 2 in modo da formare, con la massa di pilotaggio 7, un anello microelettromeccanico 19. Il dispositivo di pilotaggio 3 à ̈ configurato in modo da mantenere l’anello microelettromeccanico 19 in oscillazione con ampiezza controllata, a una frequenza di pilotaggio wDprossima alla frequenza di risonanza wRdel sistema meccanico definito dalla massa di pilotaggio 7 (con la massa di rilevamento 8) collegata alla struttura di supporto 6. Inoltre, il dispositivo di pilotaggio 3, ed esempio utilizzando un circuito ad aggancio di fase, qui non mostrato, fornisce un segnale portante VC, un segnale di temporizzazione (“clock†) principale CKMe un segnale di temporizzazione in quadratura CK90. Il segnale portante VCdi frequenza pari alla frequenza di pilotaggio wDed à ̈ in fase con le oscillazioni dell’anello microelettromeccanico 19. Il segnale di temporizzazione principale CKMe il segnale di temporizzazione in quadratura CK90sono segnali a onda quadra di frequenza pari alla frequenza di pilotaggio wD. Il segnale di temporizzazione principale CKMà ̈ in fase con le oscillazioni della massa di pilotaggio 7, mentre il segnale di temporizzazione in quadratura CK90à ̈ sfasato di 90°.
Il dispositivo di lettura 5 à ̈ del tipo ad anello aperto a tempo discreto e, nella forma di realizzazione qui descritta, à ̈ configurato per eseguire una lettura cosiddetta “double-ended†degli spostamenti della massa di rilevamento 8 secondo il rispettivo grado di libertà (in particolare, per rilevare una posizione della massa di rilevamento lungo l’asse di rilevamento Y). In particolare, il dispositivo di lettura 5 ha ingressi collegati ai terminali di rilevamento di segnale 16a, 16b della microstruttura 2 e un’uscita 5a, fornente un segnale di uscita SOUT, correlato alla velocità angolare della microstruttura 2.
Come mostrato nelle figure 3 e 4, in una forma di realizzazione il dispositivo di lettura 5 comprende un’interfaccia di lettura 21 e una catena di elaborazione 29, di cui fanno parte un demodulatore 22, un filtro passabasso 23, un convertitore analogico-digitale 25 e un modulo di elaborazione digitale 26. Un primo selettore 27 e un secondo selettore 28, comandati dall’unità di controllo 10, permettono di alternativamente di inserire ed escludere dalla catena di elaborazione 29 il demodulatore 22 e il filtro passa-basso 23, come descritto in dettaglio più avanti. Inoltre, il dispositivo di lettura 5 comprende moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b e moduli capacitivi di compensazione di quadratura 31a, 31b, collegati a rispettivi ingressi dell’interfaccia di lettura 21. Capacità CCT1dei moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b e capacità CCT2dei moduli capacitivi di compensazione di quadratura 31a, 31b sono variabili. I moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b e i moduli capacitivi di compensazione di quadratura 31a, 31b sono ad esempio definiti da insiemi di condensatori che possono essere alternativamente inseriti ed esclusi per modificare la capacità complessiva. Registri di configurazione possono essere utilizzati per impostare uno stato (inserito o escluso) di ciascun condensatore. Il modulo capacitivo di compensazione offset 30a e il modulo capacitivo di compensazione di quadratura 31a sono fra loro in parallelo; analogamente il modulo capacitivo di compensazione offset 30b e il modulo capacitivo di compensazione di quadratura 31b sono fra loro in parallelo.
L’interfaccia di lettura 21 à ̈ un amplificatore di carica a condensatori commutati completamente differenziale ed à ̈ collegata ai terminali di rilevamento 16a, 16b per ricevere segnali elettrici di rilevamento ±DQ (pacchetti di carica nella forma di realizzazione descritta). L’interfaccia di lettura 21 à ̈ configurata per convertire i segnali elettrici di rilevamento ±DQ in un segnale di trasduzione VT.
I terminali dell’interfaccia di lettura 21 sono alternativamente collegabili a rispettivi ingressi del demodulatore 22 attraverso il primo selettore 27, in una prima configurazione operativa (figura 3), e al convertitore analogico-digitale 25 attraverso il primo selettore 21 e il secondo selettore 28, in una seconda configurazione operativa (figura 4).
Il demodulatore 22 à ̈ disposto a valle dell’interfaccia di lettura 21. Gli ingressi del demodulatore 22 nella prima configurazione operativa sono collegati all’interfaccia di lettura 21 e, nella seconda configurazione operativa, sono flottanti. Il demodulatore 22 ha inoltre ingressi di demodulazione, per ricevere il segnale di temporizzazione (“clock†) principale CKMe il segnale di temporizzazione in quadratura CK90, e uscite collegate a rispettivi ingressi del filtro passa-basso 23. Il demodulatore 22 riceve segnali di trasduzione VTdall’interfaccia di lettura 21 e, in condizioni operative ordinarie (ossia al di fuori delle procedure di calibrazione più avanti descritte), li moltiplica per il segnale di temporizzazione principale CKMper generare.
Le uscite del filtro passa-basso 23 sono collegate al convertitore analogico-digitale 25 attraverso il secondo selettore 28 nella prima configurazione operativa e sono flottanti nella seconda configurazione operativa. Il filtro passa-basso 23 seleziona una banda contenente la componente dei segnali demodulati VDche à ̈ proporzionale alla velocità angolare della microstruttura 2 attorno all’asse di rilevamento.
Il primo selettore 27 e il secondo selettore 28 sono comandati dall’unità di controllo 10 attraverso un segnale di stato ST, cha ha un primo valore in condizioni di normale esercizio del giroscopio 1 e durante una procedura di calibrazione degli errori di quadratura e un secondo valore durante una procedura di calibrazione dell’offset.
Il modulo di elaborazione digitale 26 elabora i segnali demodulati VDcome richiesto dall’applicazione per cui viene impiegato il giroscopio 1 e fornisce il segnale di uscita SOUT. Il modulo di elaborazione digitale 26 à ̈ inoltre configurato per fornire un segnale di calibrazione offset SCAL1, per la calibrazione dell’offset della microstruttura 2, e un secondo segnale di calibrazione SCAL2, per la calibrazione degli errori di quadratura. In una forma di realizzazione, il segnale di calibrazione offset SCAL1e il secondo segnale di calibrazione SCAL2sono parole digitali che vengono scritte nei registri di configurazione (non mostrati) dei moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b e dei moduli capacitivi di compensazione di quadratura 31a, 31b per impostarne la capacità .
L’unità di controllo 10 determina la modalità di funzionamento del giroscopio 1 e, in particolare, esegue le procedure di calibrazione offset e di calibrazione degli errori di quadratura durante una fase di avvio del giroscopio 1.
Con riferimento alla figura 5, all’accensione del giroscopio 1 (blocco 100) l’unità di controllo 10 esegue fasi di inizializzazione, in particolare caricando porzioni di codice di controllo da una memoria non volatile integrata (non mostrata). In questa fase, il dispositivo di pilotaggio 3 à ̈ spento e la massa di pilotaggio 7 à ̈ in quiete. Di conseguenza, sull’uscita dell’interfaccia di lettura 21 non c’à ̈ in ogni caso contributo di segnale dovuto alla rotazione del giroscopio 1. A causa del pilotaggio, infatti, i segnali all’uscita dell’interfaccia di lettura 21 si presentano come segnali aventi frequenza portante pari alla frequenza di pilotaggio e modulati in ampiezza dalla velocità angolare attorno all’asse di rilevamento. In assenza di pilotaggio, invece, i segnali di trasduzione VTsull’uscita dell’interfaccia di lettura 21 comprendono solo un contributo di tensione di offset VOFFcontinuo causato dagli offset della microstruttura 2.
L’unità di controllo 10 pone il primo selettore 27 e il secondo selettore 28 nella seconda configurazione operativa (blocco 105), escludendo così il demodulatore 22 e il filtro passa-basso 23. Le uscite dell’interfaccia di lettura 21 sono quindi collegate al convertitore analogicodigitale 25 attraverso il primo selettore 27 e il secondo selettore 28.
Quindi, con il dispositivo di pilotaggio 3 spento, il modulo di elaborazione digitale 26 acquisisce dal convertitore analogico-digitale 25 il valore della tensione di offset VOFFpresente sulle uscite dell’interfaccia di lettura 21 (blocco 110) e, in base al segno e all’ampiezza della tensione di offset VOFF, determina un valore di compensazione del segnale di calibrazione offset SCAL1da applicare ai moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b per eliminare o ridurre la tensione di offset VOFFstessa (blocco 115). In una forma di realizzazione, il valore della tensione di offset VOFFviene determinato in base alla media di un numero prefissato di campioni.
La capacità CCT1dei moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b viene poi modificata sulla base del segnale di calibrazione offset SCAL1così determinato (blocco 120).
Infine, se la tensione di offset VOFFà ̈ inferiore a una soglia VOFFT(blocco 125, uscita SI), la procedura di calibrazione offset viene terminata (blocco 130). In caso contrario (blocco 125, uscita NO), le fasi di acquisizione del valore della tensione di offset VOFF(blocco 110), di selezione di un valore di compensazione del segnale di calibrazione offset SCAL1(blocco 115) e di modifica della capacità CCT1dei moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b (blocco 120) viene ripetuta iterativamente fino al raggiungimento della soglia VOFFT.
Se necessario, l’unità di controllo 10 coordina i componenti del giroscopio 1 per eseguire, in una fase successiva, la procedura di calibrazione degli errori di quadratura, come illustrato con riferimento alla figura 6.
Una volta che il dispositivo di pilotaggio 3 à ̈ stato avviato e le oscillazioni dell’anello microelettromeccanico 19 hanno raggiunto una condizione stabile di regime (blocco 150), l’unità di controllo 10 pone il primo selettore 27 e il secondo selettore 28 nella prima configurazione operativa. Il demodulatore 22 e il filtro passa-basso 23 sono quindi collegati in cascata fra l’interfaccia di lettura 21 e il convertitore analogico-digitale 25.
Il demodulatore 22 viene impostato dall’unità di controllo 10 per la demodulazione in quadratura dei segnali di trasduzione VTmediante moltiplicazione per il segnale di temporizzazione in quadratura CK90(blocco 155).
Il contenuto armonico in banda base dei segnali demodulati VD(ossia quanto non viene soppresso dal filtro passa-basso 23) à ̈ essenzialmente determinato dagli errori di quadratura, che dipendono ad esempio da imprecisioni nell’accoppiamento della massa di pilotaggio 7 alla struttura di supporto 6.
Il modulo di elaborazione digitale 26 acquisisce dal convertitore analogico-digitale 25 i segnali demodulati VDfiltrati e discretizzati (blocco 160) e li utilizza per determinare un valore di compensazione del secondo segnale di calibrazione SCAL2da applicare ai moduli capacitivi di compensazione di quadratura 31a, 31b per eliminare o ridurre l’errore di quadratura (blocco 165).
La capacità CCT2dei moduli capacitivi di compensazione di quadratura 31a, 31b viene poi modificata sulla base del secondo segnale di calibrazione SCAL2così determinato (blocco 170).
Infine, se l’errore di quadratura EQà ̈ inferiore a una soglia EQT(blocco 175, uscita SI), la procedura di calibrazione viene terminata (blocco 180). In caso contrario (blocco 175, uscita NO), le fasi di acquisizione dei segnali demodulati VDfiltrati (blocco 160), di selezione di un valore di compensazione del secondo segnale di calibrazione SCAL2(blocco 165) e di modifica della capacità CCT2dei moduli capacitivi di compensazione di quadratura 31a, 31b (blocco 170) viene ripetuta iterativamente fino al raggiungimento della soglia EQT.
Il giroscopio descritto permette vantaggiosamente di eseguire procedure di calibrazione in qualsiasi fase della vita del dispositivo e non solo in fabbrica. Mediante le procedure descritte, à ̈ quindi possibile recuperare le derive degli errori sistematici (offset ed errore di quadratura) anche quando intervengono fattori esterni (come variazioni di temperatura) o l’invecchiamento ad alterare la calibrazione eseguita in fabbrica.
La calibrazione può inoltre essere eseguita in modo pressoché trasparente per l’utente e, nella forma di realizzazione descritta, praticamente non richiede componenti aggiuntivi (se non i selettori per includere ed escludere il demodulatore e il filtro passa-basso). La calibrazione dell’offset, in particolare, può essere eseguita durante l’accensione del dispositivo, come descritto, e per questa ragione non à ̈ necessario sospendere l’utilizzo del giroscopio.
Le figure 7 e 8, in cui parti uguali a quelle già descritte sono indicate con gli stessi numeri di riferimento, mostra un giroscopio 200 secondo una diversa forma di realizzazione dell’invenzione.
Il giroscopio 200 comprende la microstruttura 2, con la massa di pilotaggio 7 e la massa di rilevamento 8, il dispositivo di pilotaggio 3 e il dispositivo di lettura 5, privo però dei selettori 27, 28 (l’interfaccia di lettura 21 à ̈ quindi collegata al demodulatore 22 e il filtro passabasso 23 à ̈ collegato al convertitore analogico-digitale 25).
Il giroscopio 200 comprende inoltre un’unità di controllo 210 e uno stadio di calibrazione 205. A sua volta, comprende un convertitore analogico-digitale 206, un demodulatore 207, un filtro passa-basso 208 e un modulo di elaborazione digitale 209, che definiscono un catena di elaborazione 229.
Il convertitore analogico-digitale 206 à ̈ collegato alle uscite dell’interfaccia di lettura 21 del dispositivo di lettura 5. Il demodulatore 207, il filtro passa-basso 208 e il modulo di elaborazione digitale 209 sono collegati in cascata al convertitore analogico-digitale 206.
Il demodulatore 207 può essere alternativamente inserito ed escluso dalla catena di elaborazione 229 mediante un primo selettore 227 e un secondo selettore 228, controllati dall’unità di controllo 210 mediante un segnale di stato ST. In una prima configurazione operativa (figura 7), corrispondente a un primo valore del segnale di stato ST, il demodulatore 207 à ̈ escluso dalla catena di elaborazione 229 e uscite del convertitore analogicodigitale 206 sono collegate al filtro passa-basso 208 attraverso i selettori 227, 228. In una seconda configurazione operativa (figura 8), corrispondente a un secondo valore del segnale di stato ST, il demodulatore 207 à ̈ invece inserito nella catena di elaborazione 229, fra il convertitore analogico-digitale 206 e il filtro passa-basso 208.
Il modulo di elaborazione digitale 209 à ̈ configurato per fornire un segnale di calibrazione offset SCAL1, per la calibrazione dell’offset della microstruttura 2, e un secondo segnale di calibrazione SCAL2, per la calibrazione degli errori di quadratura. In una forma di realizzazione, il segnale di calibrazione offset SCAL1e il secondo segnale di calibrazione SCAL2sono parole digitali che vengono scritte nei registri di configurazione (non mostrati) dei moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b e dei moduli capacitivi di compensazione di quadratura 31a, 31b per impostarne la capacità .
Il giroscopio 200 può effettuare procedure di calibrazione dell’offset della microstruttura 2 e degli errori di quadratura come di seguito descritto.
L’unità di controllo 210 inizia la procedura di calibrazione dell’offset con il dispositivo di pilotaggio 3 in funzione e oscillazioni dell’anello microelettromeccanico 19 stabili a regime, escludendo il demodulatore 207 dalla catena di elaborazione 229 del dispositivo di calibrazione 205 (figura 7).
Il convertitore analogico-digitale 206 riceve e discretizza i segnali di trasduzione VTforniti dall’interfaccia di lettura 21, che vengono poi alimentati al modulo di elaborazione digitale 209.
In queste condizioni, i segnali di trasduzione VTnon vengono demodulati e contengono una componente continua, determinata dall’offset, e una componente centrata attorno alla frequenza di pilotaggio wDe modulata in ampiezza dalla velocità angolare della microstruttura 2 attorno all’asse di rilevamento. Quest’ultima componente viene soppressa dal filtro passa-basso 208 e quindi i segnali di trasduzione filtrati VFricevuti dal modulo di elaborazione digitale 209 contengono sostanzialmente solo la componente continua, che à ̈ indicativa dell’offset.
Sulla base dei segnali di trasduzione VTdopo il filtraggio, il modulo di elaborazione digitale 209 determina un valore di compensazione del segnale di calibrazione offset SCAL1da applicare ai moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b per eliminare o ridurre la tensione di offset VOFFstessa. La capacità CCT1dei moduli capacitivi di compensazione offset 30a, 30b viene poi modificata di conseguenza, sostanzialmente come descritto in precedenza. La procedura può essere ripetuta iterativamente se necessario, fino a ridurre l’offset sotto una soglia.
Per eseguire la procedura di calibrazione dell’errore di quadratura, l’unità di controllo 210 imposta il secondo valore del segnale di stato ST per inserire il demodulatore 207 nella catena di elaborazione 229 dello stadio di calibrazione 205. Al demodulatore 207 viene inoltre fornito il segnale di temporizzazione in quadratura CK90. La demodulazione in quadratura permette di riportare in banda base la componente dei segnali di trasduzione VTdovuta all’errore di quadratura, mentre la componente di offset (continua) viene portata alla frequenza di pilotaggio wD. Il successivo filtraggio del filtro passa-basso 209 permette di eliminare le componenti alla frequenza di pilotaggio wDe a frequenze superiori. I segnali ricevuti dal modulo di elaborazione digitale 209 sono quindi indicativi del solo errore di quadratura e vengono utilizzati per determinare un valore di compensazione del secondo segnale di calibrazione SCAL2da applicare ai moduli capacitivi di compensazione di quadratura 31a, 31b per eliminare o ridurre l’errore di quadratura stesso.
Anche in questo caso, la procedura può essere ripetuta iterativamente fino a ridurre l’errore di quadratura sotto una soglia.
Le procedure di calibrazione dell’offset della microstruttura 2 e degli errori di quadratura possono essere effettuate in modo del tutto trasparente all’utente, anche durante il normale funzionamento del giroscopio 200. Infatti, lo stadio di calibrazione 205 non interferisce con il funzionamento del dispositivo di lettura 5, limitandosi a prelevare i segnali di trasduzione. La calibrazione può quindi essere effettuata senza sospendere l’uso ordinario del giroscopio 200. La trasparenza all’utente à ̈ una caratteristica sempre auspicabile, ma à ̈ particolarmente vantaggiosa in applicazioni critiche, in cui l’assenza temporanea di dati dal giroscopio 200 può avere conseguenza negative.
In figura 9 à ̈ illustrata una porzione di un sistema elettronico 300 in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione. Il sistema 300 incorpora il giroscopio 1 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 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.
Il sistema elettronico 300 può comprendere un controllore 310, un dispositivo di ingresso/uscita (I/O) 320 (ad esempio una tastiera o uno schermo), il giroscopio 1, un’interfaccia “wireless†340 e una memoria 360, di tipo volatile o non volatile, accoppiati fra loro attraverso un bus 350. in una forma di realizzazione, una batteria 380 può essere utilizzata per alimentare il sistema 300. Si noti che l’ambito della presente invenzione non à ̈ limitato a forme di realizzazione aventi necessariamente uno o tutti i dispositivi elencati.
Il controllore 310 può comprendere, ad esempio, uno o più microprocessori, microcontrollori e simili.
Il dispositivo di I/O 320 può essere utilizzato per generare un messaggio. Il sistema 300 può utilizzare l’interfaccia wireless 340 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 320 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).
Al giroscopio e al metodo descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definita nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, l’invenzione può essere sfruttata in giroscopi multiassiali. In questo caso, i componenti necessari per la calibrazione possono essere utilizzati a divisione di tempo per ciascuno degli assi di rilevamento.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Giroscopio microelettromeccanico comprendente: una struttura di supporto (6); una massa di rilevamento (8), accoppiata alla struttura di supporto (6) mediante un accoppiamento capacitivo (15), in cui la massa di rilevamento (8) à ̈ mobile rispetto alla struttura di supporto (6) in accordo a un primo grado di libertà e, inoltre, à ̈ mobile rispetto alla struttura di supporto (6) in accordo a un secondo grado di libertà in risposta a rotazioni della struttura di supporto (6) attorno a un asse; componenti di pilotaggio (3, 7), azionabili per mantenere la massa di rilevamento (8) in oscillazione in accordo al primo grado di libertà ; un’interfaccia di lettura (21), collegata a terminali di rilevamento (16a, 16b) dell’accoppiamento capacitivo (15) e configurata per rilevare segnali di trasduzione (VT) indicativi dell’accoppiamento capacitivo (15) fra la massa di rilevamento (8) e la struttura di supporto (6); e moduli capacitivi di compensazione (30a, 30b, 31a, 31b), collegabili ai terminali di rilevamento (16a, 16b) per modificare l’accoppiamento capacitivo (15) fra la massa di rilevamento (8) e la struttura di supporto (6); caratterizzato dal fatto di comprendere componenti di calibrazione (10, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28; 21, 205, 210), accoppiati all’interfaccia di lettura (21) e configurati per rilevare errori sistematici dai segnali di trasduzione (VT) e per modificare i moduli capacitivi di compensazione (30a, 30b, 31a, 31b) in funzione dei segnali di trasduzione (VT), in modo da attenuare gli errori sistematici.
- 2. Giroscopio secondo la rivendicazione 1, comprendente un’unità di controllo (10; 210) configurata per selettivamente attivare e disattivare i componenti di pilotaggio (3, 7).
- 3. Giroscopio secondo la rivendicazione 2, in cui i componenti di calibrazione (10, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28; 21, 205, 210) comprendono un modulo di elaborazione (29; 209) configurato per determinare un valore di compensazione (SCAL1, SCAL2) dei moduli capacitivi di compensazione (30a, 30b, 31a, 31b) in funzione dei segnali di trasduzione (VT).
- 4. Giroscopio secondo la rivendicazione 3, in cui: il modulo di elaborazione (28) à ̈ configurato per determinare un valore di compensazione di offset (SCAL1), quando i componenti di pilotaggio (3, 7) sono disattivati dall’unità di controllo (10); i moduli capacitivi di compensazione (30a, 30b, 31a, 31b) comprendono moduli capacitivi di compensazione offset (30a, 30b); e l’unità di controllo (10) à ̈ configurata per modificare i moduli capacitivi di compensazione offset (30a, 30b) in funzione del valore di compensazione di offset (SCAL1).
- 5. Giroscopio secondo la rivendicazione 3, in cui: i componenti di calibrazione (21, 205, 210) comprendono un filtro passa-basso (208), accoppiato all’interfaccia di lettura per ricevere i segnali di trasduzione (VT) e configurato per fornire segnali di trasduzione filtrati (VF); e il modulo di elaborazione (28) à ̈ configurato per determinare un valore di compensazione di offset (SCAL1) in base ai segnali di trasduzione filtrati (VF), quando i componenti di pilotaggio (3, 7) sono attivati dall’unità di controllo (10);
- 6. Giroscopio secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui: il modulo di elaborazione (28; 209) à ̈ configurato per determinare un valore di compensazione di quadratura (SCAL2), quando i componenti di pilotaggio (3, 7) sono attivati dall’unità di controllo (10); i moduli capacitivi di compensazione (30a, 30b, 31a, 31b) comprendono moduli capacitivi di compensazione di quadratura (31a, 31b); e l’unità di controllo (10) à ̈ configurata per modificare i moduli capacitivi di compensazione di quadratura (31a, 31b) in funzione del valore di compensazione di quadratura (SCAL2).
- 7. Giroscopio secondo la rivendicazione 6, in cui: i componenti di pilotaggio (3) sono configurati per fornire un segnale di temporizzazione principale (CKM), sincrono con le oscillazioni della massa di rilevamento (8), e un segnale di temporizzazione in quadratura (CK90), sfasato di 90° rispetto al segnale di temporizzazione principale (CKM); i componenti di calibrazione (10, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28; 21, 205, 210) comprendono un demodulatore (22; 207), configurato per demodulare i segnali di trasduzione (VT) utilizzando il segnale di temporizzazione in quadratura (CK90) e per fornire segnali di trasduzione demodulati (VD); e il modulo di elaborazione (28; 209) Ã ̈ configurato per determinare il valore di compensazione di quadratura (SCAL2) in funzione dei segnali di trasduzione demodulati (VD).
- 8. Giroscopio secondo la rivendicazione 7, in cui il demodulatore (22; 207) à ̈ selettivamente collegabile fra l’interfaccia di lettura (21) e il modulo di elaborazione (28; 209).
- 9. Giroscopio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una catena di elaborazione (29; 229) accoppiata all’interfaccia di lettura (21) per generare segnali di uscita (SOUT) in funzione dei segnali di trasduzione (VT).
- 10. Giroscopio secondo la rivendicazione 9, in cui almeno alcuni dei componenti di calibrazione (10, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28) sono condivisi con la catena di elaborazione (29).
- 11. Giroscopio secondo la rivendicazione 9, in cui i componenti di calibrazione (21, 205, 210) sono distinti dalla catena di elaborazione (229).
- 12. Sistema elettronico comprendente un’unità di controllo (310) e un giroscopio (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti accoppiato all’unità di controllo (310).
- 13. Metodo di calibrazione di un giroscopio microelettromeccanico comprendente: una struttura di supporto (6); una massa di rilevamento (8), accoppiata alla struttura di supporto (6) mediante un accoppiamento capacitivo (15), in cui la massa di rilevamento (8) à ̈ mobile rispetto alla struttura di supporto (6) in accordo a un primo grado di libertà e, inoltre, à ̈ mobile rispetto alla struttura di supporto (6) in accordo a un secondo grado di libertà in risposta a rotazioni della struttura di supporto (6) attorno a un asse; componenti di pilotaggio (3, 7), azionabili per mantenere la massa di rilevamento (8) in oscillazione in accordo al primo grado di libertà ; e il metodo comprendendo: rilevare, mediante un’interfaccia di lettura (21), segnali di trasduzione (VT) indicativi dell’accoppiamento capacitivo (15) fra la massa di rilevamento (8) e la struttura di supporto (6); e modificare l’accoppiamento capacitivo (15) fra la massa di rilevamento (8) e la struttura di supporto (6); il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere: incorporare componenti di calibrazione (10, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28; 21, 205, 210) nel giroscopio (1; 200); accoppiare i componenti di calibrazione (10, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28; 21, 205, 210) all’interfaccia di lettura (21); rilevare errori sistematici dai segnali di trasduzione (VT); e modificare i moduli capacitivi di compensazione (30a, 30b, 31a, 31b) in funzione dei segnali di trasduzione (VT), in modo da attenuare gli errori sistematici.
- 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui rilevare errori sistematici dai segnali di trasduzione (VT) comprende disattivare i componenti di pilotaggio (3, 7) e i segnali di trasduzione (VT) sono rilevati con i componenti di pilotaggio (3, 7) disattivati.
- 15. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui rilevare errori sistematici dai segnali di trasduzione (VT) comprende: attivare i componenti di pilotaggio (3, 7) e i segnali di trasduzione (VT); fornire un segnale di temporizzazione principale (CKM), sincrono con le oscillazioni della massa di rilevamento (8), e un segnale di temporizzazione in quadratura (CK90), sfasato di 90° rispetto al segnale di temporizzazione principale (CKM); e demodulare i segnali di trasduzione (VT) utilizzando il segnale di temporizzazione in quadratura (CK90).
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| Title |
|---|
| RICCARDO ANTONELLO ET AL: "Open loop compensation of the quadrature error in MEMS vibrating gyroscopes", IECON 2009 - 35TH ANNUAL CONFERENCE OF IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS (IECON 2009) - 3-5 NOV. 2009 - PORTO, PORTUGAL, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 3 November 2009 (2009-11-03), pages 4034 - 4039, XP031629948, ISBN: 978-1-4244-4648-3 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20130031950A1 (en) | 2013-02-07 |
| US9212910B2 (en) | 2015-12-15 |
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