ITTO20110979A1 - Circuito di pilotaggio per un giroscopio microelettromeccanico e relativo giroscopio microelettromeccanico - Google Patents
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Description
“CIRCUITO DI PILOTAGGIO PER UN GIROSCOPIO MICROELETTROMECCANICO E RELATIVO GIROSCOPIO MICROELETTROMECCANICOâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad un circuito di pilotaggio per un giroscopio microelettromeccanico e ad un relativo giroscopio microelettromeccanico.
Come noto, le tecniche di microfabbricazione consentono la realizzazione di strutture o sistemi microelettromeccanici (cosiddetti MEMS, dall’inglese Micro Electro Mechanical System) all’interno di strati di materiale semiconduttore, che sono stati depositati (ad esempio uno strato di silicio policristallino) o cresciuti (ad esempio uno strato epitassiale) al di sopra di strati sacrificali, che vengono rimossi tramite attacco chimico.
Sensori inerziali, quali accelerometri e giroscopi, realizzati con tale tecnologia stanno avendo un crescente successo, ad esempio nel campo “automotive†, nella navigazione inerziale, o nel settore dei dispositivi portatili.
In particolare, sono noti giroscopi integrati di materiale semiconduttore realizzati con tecnologia MEMS. Tali giroscopi operano in base al teorema delle accelerazioni relative, sfruttando l’accelerazione di Coriolis. Quando viene applicata una velocità angolare ad una massa mobile che à ̈ azionata con una velocità lineare, la massa mobile “sente†una forza apparente, chiamata forza di Coriolis, che ne determina uno spostamento in direzione perpendicolare alla direzione della velocità lineare e all’asse intorno al quale viene applicata la velocità angolare. La massa mobile à ̈ supportata tramite molle che ne consentono uno spostamento relativo nella direzione della forza apparente. In base alla legge di Hooke, lo spostamento à ̈ proporzionale alla forza apparente, in modo tale che, dallo spostamento della massa mobile, à ̈ possibile rilevare la forza di Coriolis ed il valore della velocità angolare che l’ha generata.
Lo spostamento della massa mobile può ad esempio essere rilevato in modo capacitivo, determinando, in condizione di risonanza, le variazioni di capacità (o, analogamente della quantità di carica) causate dal movimento di elettrodi mobili, solidali alla massa mobile (o costituiti da parti della stessa massa mobile) e accoppiati ad elettrodi fissi.
In maggiore dettaglio, i giroscopi MEMS hanno una struttura elettromeccanica piuttosto complessa, che comprende due masse mobili rispetto ad uno stesso corpo fisso (solitamente definito statore) e accoppiate fra loro in modo da avere un grado di libertà relativo.
Una delle masse mobili à ̈ dedicata al pilotaggio (e per questo viene comunemente definita “massa di pilotaggio†) e viene mantenuta in oscillazione alla sua frequenza di risonanza mediante un opportuno circuito elettronico di pilotaggio (o forzamento). L’altra massa mobile (solitamente nota come “massa di rilevamento†) viene trascinata nel moto oscillatorio dalla massa di pilotaggio e, in caso di rotazione della microstruttura rispetto a un asse prefissato con una data velocità angolare, à ̈ soggetta a una forza di Coriolis proporzionale alla velocità angolare stessa. In pratica, la massa di rilevamento opera come un accelerometro che consente di rilevare l’accelerazione di Coriolis.
Per quanto riguarda l’implementazione del circuito elettronico di pilotaggio, una prima soluzione nota prevede di fornire, in anello aperto, sollecitazioni periodiche alla frequenza di risonanza della struttura MEMS. La soluzione à ̈ semplice, ma anche poco efficace, perché la frequenza di risonanza non à ̈ nota con precisione a causa delle ineliminabili dispersioni nei processi di microlavorazione dei materiali semiconduttori. Inoltre, la frequenza di risonanza di ogni singolo dispositivo può variare nel tempo, ad esempio a causa di gradienti di temperatura o, più semplicemente, per l’invecchiamento.
Sono quindi stati proposti stadi di pilotaggio retroazionati, in cui si utilizza un anello di retroazione per controllare il segnale di pilotaggio in modo da mantenere la condizione di risonanza.
In particolare, per consentire l’attuazione e realizzare un oscillatore elettromeccanico in cui la struttura meccanica del sensore svolge il ruolo di amplificatore selettivo di frequenza, con funzione di trasferimento di secondo ordine di tipo passa-basso e elevato fattore di merito (cosiddetto fattore di merito Q, pari ad almeno 20, ma anche dell’ordine di 100 o 1000), la massa di pilotaggio à ̈ accoppiata in tal caso a due strutture capacitive differenziali: un gruppo di elettrodi di pilotaggio ed un gruppo di elettrodi di rilevamento di pilotaggio.
Gli elettrodi di pilotaggio hanno lo scopo di consentire di sostenere l’auto-oscillazione della massa mobile di pilotaggio nella direzione di attuazione, attraverso forze elettrostatiche generate dalla componente spettrale del rumore alla frequenza di risonanza meccanica della stessa massa di pilotaggio. In particolare, agli elettrodi di pilotaggio viene applicato un segnale di pilotaggio, ad esempio un segnale di tensione del tipo ad onda quadra, con ampiezza e frequenza opportuni tali da causare l’oscillazione in condizioni di risonanza.
Gli elettrodi di rilevamento di pilotaggio hanno lo scopo di consentire di rilevare, attraverso la carica trasdotta, il movimento di traslazione o rotazione della massa di pilotaggio nella direzione di attuazione, in modo tale da consentire di realizzare un controllo in retroazione del segnale di pilotaggio. In particolare, il rilevamento del movimento viene eseguito a tempo continuo, mediante l’elaborazione di segnali analogici, generalmente segnali di tensione.
Sebbene efficace per controllare l’oscillazione in risonanza della massa di pilotaggio, una soluzione di questo tipo non risulta tuttavia ottimizzata dal punto di vista dell’occupazione di area e dei costi, a causa della presenza aggiuntiva di un gruppo di elettrodi dedicati al rilevamento del movimento di pilotaggio, che non contribuiscono all’operatività del sistema ed al rilevamento delle velocità angolari; in particolare, tale soluzione può risultare per questo non applicabile in sistemi in cui la riduzione delle dimensioni rappresenti un criterio fondamentale di progetto.
Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di risolvere, almeno in parte, i problemi precedentemente evidenziati, in particolar modo per quanto riguarda l’occupazione di area in realizzazione integrata.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un circuito di pilotaggio ed un relativo giroscopio microelettromeccanico, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo giroscopio, includente un circuito di pilotaggio secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 2 mostra grafici relativi a prestazioni elettriche di una struttura microelettromeccanica del dispositivo giroscopio di figura 1;
- la figura 3 mostra un dettaglio di un gruppo di elettrodi del dispositivo giroscopio di figura 1;
- la figura 4 mostra grafici relativi a segnali elettrici nel circuito di pilotaggio del dispositivo giroscopio di figura 1;
- la figura 5 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo giroscopio e di un relativo circuito di pilotaggio, secondo una differente forma di realizzazione della presente invenzione;
- le figure 6 e 7 mostrano grafici relativi a segnali elettrici nel circuito di pilotaggio del dispositivo giroscopio di figura 5; e
- la figura 8 Ã ̈ uno schema a blocchi di un apparecchio elettronico includente il dispositivo giroscopio di figura 1.
Come mostrato in figura 1, un dispositivo giroscopio, indicato nel suo insieme con 1, comprende una struttura di rilevamento microelettromeccanica 2, raffigurata in maniera schematica e includente (in modo di per sé noto e non descritto in dettaglio) una struttura fissa (statore) 3, una massa di pilotaggio 4 ed una massa di rilevamento 5. La massa di rilevamento 5 à ̈ accoppiata elasticamente alla massa di pilotaggio 4, in modo da avvertire il movimento di oscillazione in risonanza della stessa massa di pilotaggio 4, tramite opportuni elementi elastici 6; inoltre, la massa di rilevamento 5 presenta un movimento relativo di rilevamento rispetto alla stessa massa di pilotaggio 4, per l’azione della forza di Coriolis, consentendo così il rilevamento di velocità angolare.
Si noti che per semplicità si fa qui riferimento al caso di un giroscopio monoassiale, in cui à ̈ presente una sola massa di rilevamento 5; quanto di seguito descritto si applica tuttavia anche nel caso di giroscopi multi assiali, che comprendono due o più masse di rilevamento, per rilevare rotazioni secondo rispettivi assi indipendenti. Nell’esempio illustrato, in particolare, la massa di pilotaggio 4 à ̈ mobile linearmente lungo un asse di pilotaggio X, mentre la massa di rilevamento 5 à ̈ mobile rispetto alla massa di pilotaggio 4 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.
Come mostrato in figura 2, la struttura meccanica costituita dalla massa di pilotaggio 4 (e dai relativi elementi di accoppiamento elastico con lo statore 3, non illustrati in figura 1) presenta una funzione di trasferimento meccanica H (che viene illustrata in modulo e fase) con un elevato fattore di merito Q (preferibilmente compreso tra 100 e 1000, nell’esempio pari a 150), risonante ad una data frequenza di risonanza fr.
Il dispositivo giroscopio 1 comprende inoltre (si faccia nuovamente riferimento alla figura 1): un circuito di pilotaggio 10, descritto in dettaglio in seguito; ed un circuito di lettura 11, di tipo per sé noto e qui non descritto in dettaglio, accoppiato elettricamente alla massa di rilevamento 5 e configurato in modo da rilevare il valore di velocità angolare, a partire dalla variazione capacitiva generata da opportuni elettrodi di lettura (non illustrati) accoppiati alla stessa massa di rilevamento 5.
Il circuito di pilotaggio 10 à ̈ accoppiato elettricamente alla massa di pilotaggio 4, ed à ̈ configurato sia per causarne il movimento di oscillazione in risonanza, sia per leggere il movimento della stessa massa di pilotaggio 4, in modo da consentire di effettuare un controllo in retroazione dell’azione di pilotaggio.
Secondo un aspetto della presente invenzione, la struttura di rilevamento microelettromeccanica 2 nel dispositivo giroscopio 1 include un solo gruppo di elettrodi di pilotaggio accoppiato alla massa di pilotaggio 4, utilizzabile alternativamente per causarne il movimento di oscillazione in risonanza, o per consentire la lettura dello stesso movimento. In particolare, tale gruppo di elettrodi definisce un primo condensatore di pilotaggio C1, collegato tra la massa di pilotaggio 4 ed un primo terminale di pilotaggio 12 ed un secondo condensatore di pilotaggio C2collegato tra la stessa massa di pilotaggio 4 ed un secondo terminale di pilotaggio 13.
Come mostrato schematicamente in figura 3, il gruppo di elettrodi comprende primi elettrodi fissi 14a e secondi elettrodi fissi 14b, ancorati allo statore 3, ed elettrodi mobili 14c, accoppiati alla massa di pilotaggio 4 ed interdigitati e capacitivamente accoppiati a rispettivi primi e secondi elettrodi fissi 14a, 14b. I primi ed i secondi elettrodi fissi 14a, 14b sono collegati elettricamente rispettivamente al primo ed al secondo terminale di pilotaggio 12, 13, definendo così complessivamente con gli elettrodi mobili 14c il primo ed il secondo condensatore di pilotaggio C1, C2.
Il circuito di pilotaggio 10 comprende uno stadio di attuazione 20, configurato in modo da generare opportuni segnali di pilotaggio VD1, VD2atti ad essere inviati al primo ed al secondo terminale di pilotaggio 12, 13 per azionare la massa di pilotaggio 4. Lo stadio di attuazione 20 comprende ad esempio una pompa di carica, atta a survoltare una tensione di ingresso e generare gli elevati valori di tensione eventualmente richiesti per i segnali di pilotaggio VD1, VD2; oppure un amplificatore a guadagno variabile (VGA – Variable Gain Amplifier).
I segnali di pilotaggio VD1, VD2sono ad esempio segnali differenziali del tipo ad onda quadra, con ampiezza e frequenza opportune (come descritto meglio in seguito).
In particolare, lo stadio di attuazione 20 presenta un ingresso di controllo, atto a ricevere un segnale di controllo di ampiezza SCA, tramite il quale regolare il valore di ampiezza dei segnali di pilotaggio VD1, VD2.
Il circuito di pilotaggio 10 comprende inoltre uno stadio di lettura dell’attuazione 22, avente ingressi atti ad essere collegati al primo ed al secondo terminale di pilotaggio 12, 13, per leggere le variazioni capacitive del primo e secondo condensatore di pilotaggio C1, C2e consentire il rilevamento del movimento della massa di pilotaggio 4; lo stadio di lettura dell’attuazione 22 comprende ad esempio un amplificatore di carica, in particolare del tipo totalmente differenziale dotato in uscita di uno stadio di CDS (Correlated Double Sampling).
Lo stadio di lettura dell’attuazione 22 à ̈ infatti convenientemente in grado di rilevare una posizione, o spostamento, della massa di pilotaggio 4, e lo stadio di CDS consente di realizzare un efficace controllo in posizione depurato da contributi di offset e di velocità della massa di pilotaggio 4.
A questo riguardo, lo stadio di attuazione 20 e lo stadio di lettura dell’attuazione 22 (con relativo stadio di CDS) possono essere realizzati come descritto in dettaglio nella domanda di brevetto EP-A-2 259 019 a nome della stessa richiedente, alla cui trattazione si rimanda qui per intero.
Secondo un aspetto della presente invenzione, il circuito di pilotaggio 10 comprende inoltre un gruppo di interruttori (o analoghi elementi di commutazione), indicato in generale con 25, interposto tra lo stadio di attuazione 20 ed il primo ed il secondo terminale di pilotaggio 12, 13, e tra lo stadio di lettura dell’attuazione 22 e gli stessi primo e secondo terminale di pilotaggio 12, 13. Il gruppo di interruttori 25 à ̈ azionabile in modo tale da collegare il primo ed il secondo terminale di pilotaggio 12, 13 alternativamente all’unità di attuazione 20, in una fase temporale di attuazione, ed all’unità di lettura dell’attuazione 22, in una fase temporale di lettura, distinta rispetto alla fase temporale di attuazione.
Il funzionamento à ̈ a tempo discreto, essendo previsti degli intervalli di tempo dedicati al pilotaggio ed altri, distinti, dedicati alla lettura. In generale, gli intervalli di tempo per la lettura sono molto brevi rispetto a quelli dedicati al pilotaggio ed inoltre rispetto al periodo dell’oscillazione, in modo tale da massimizzare il tempo dedicato alla fase di azionamento della massa di pilotaggio 3. Ad esempio, un intervallo di tempo di lettura à ̈ compreso tra un decimo (condizione valida per valori di frequenza di oscillazione di pochi kHz) ed un quarto (condizione valida ad esempio per un valore di frequenza di oscillazione di 20 kHz) del valore del periodo di oscillazione.
In maggiore dettaglio, il gruppo di interruttori 25 comprende: una prima coppia di interruttori controllati 25a, 25b (ad esempio realizzati mediante transistori MOS) collegati tra una rispettiva uscita dell’unità di attuazione 20 ed un rispettivo tra il primo ed il secondo terminale di pilotaggio 12, 13, e controllati in maniera congiunta da un primo segnale di controllo sw1; ed una seconda coppia di interruttori controllati 25c, 25d collegati tra un rispettivo ingresso dell’unità di lettura dell’attuazione 22 ed un rispettivo tra il primo ed il secondo terminale di pilotaggio 12, 13, e controllati in maniera congiunta da un secondo segnale di controllo sw2.
Il circuito di pilotaggio 10 comprende inoltre: un’unità di controllo 26, collegata all’uscita dell’unità di lettura dell’attuazione 22, e ricevente in ingresso un segnale di lettura VRdalla stessa unità di lettura dell’attuazione 22 (ad esempio un segnale di tensione, risultato dell’operazione di amplificazione di carica), ed un segnale di temporizzazione (clock) CK (generato in modo di per sé noto, qui non descritto in dettaglio); ed un controllore di ampiezza 27, ad esempio del tipo PI (Proporzionale Integrale).
In particolare, l’unità di controllo 26 à ̈ configurata in modo da generare i segnali di controllo sw1, sw2 per gli interruttori controllati 25a-25d, con una opportuna temporizzazione relativa, in funzione del segnale di clock CK). Inoltre, l’unità di controllo 26 à ̈ configurata in modo da inviare il segnale di lettura VRal controllore di ampiezza 27, durante gli intervalli temporali di lettura, in modo da consentire di effettuare un controllo in retroazione dell’ampiezza dei segnali di pilotaggio VD1, VD2(in modo di per sé noto, e come descritto ad esempio nella suddetta domanda di brevetto EP-A-2 259 019).
In alternativa (in modo qui non illustrato), l’uscita dello stadio di lettura dell’attuazione 22 potrebbe essere collegata direttamente al controllore di ampiezza 27, e l’unità di controllo 26 essere configurata in modo da inviare allo stesso controllore di ampiezza 27 opportuni segnali di controllo per attivare l’operazione di controllo dell’ampiezza soltanto in corrispondenza dei suddetti intervalli temporali di lettura.
Il controllore di ampiezza 27 presenta in ogni caso un ingresso ricevente una tensione di riferimento Vref(indicativa di una ampiezza di oscillazione di riferimento della massa di pilotaggio 4) e genera in uscita il segnale di controllo di ampiezza SCA, che viene inviato all’unità di attuazione 20, per regolare il valore di ampiezza dei segnali di pilotaggio VD1, VD2in modo tale da rispettare le condizioni di oscillazione in risonanza della struttura (cosiddette condizioni di Barkhausen).
In una forma di realizzazione, si veda la figura 4, i segnali di pilotaggio VD1, VD2sono segnali periodici ad onda quadra, con periodo di pilotaggio TD(e frequenza di pilotaggio fD, di valore quanto più prossimo alla frequenza di risonanza frdella struttura micromeccanica); in figura 4a viene mostrato, a titolo di esempio, il segnale di pilotaggio VD1(il segnale VD2essendo in opposizione di fase).
Il segnale di lettura VRà ̈ un segnale sinusoidale avente periodo coincidente con il periodo di pilotaggio TD; come mostrato in figura 4b, il segnale di lettura VRpuò presentare, in condizione operativa, un certo sfasamento (o errore di fase Errfi) rispetto ad una condizione ideale di risonanza (mostrata in linea tratteggiata nella stessa figura 4b), ad esempio pari a 20°.
In questa forma di realizzazione, sono previsti due intervalli temporali di lettura, indicati con T2e T4, centrati nell’intorno degli istanti temporali TD/4 e 3TD/4 (o, per i successivi periodi, i∙TD/4 e 3i∙TD/4, i indicando un generico numero intero), dedicati alla lettura di posizione per il controllo di ampiezza dei segnali di pilotaggio VD1, VD2. Il segnale di lettura VRviene pertanto campionato ad una frequenza di campionamento fcpari a due volte la frequenza di pilotaggio fd(fc= 2∙fd). I suddetti intervalli di lettura T2, T4vengono generati dall’unità di controllo 26 in maniera opportuna, in funzione ad esempio del segnale di clock CK.
Durante gli intervalli temporali T2e T4, il gruppo di interruttori 25 viene quindi controllato in modo da collegare il primo ed il secondo terminale di pilotaggio 12, 13 all’unità di lettura dell’attuazione 22, ed il segnale di lettura VRviene inviato dall’unità di controllo 26 al controllore di ampiezza 27, in modo da chiudere un anello di retroazione microelettromeccanico per il controllo dell’ampiezza dei segnali di pilotaggio VD1, VD2.
Per la restante parte del periodo di pilotaggio TD(avente durata complessivamente molto maggiore rispetto agli intervalli temporali di lettura), il gruppo di interruttori 25 viene invece controllato in modo da collegare il primo ed il secondo terminale di pilotaggio 12, 13 all’unità di attuazione 20, in modo da fornire gli stessi segnali di pilotaggio VD1, VD2alla struttura micromeccanica; in altre parole, il forzamento viene sospeso solamente in corrispondenza dei due intervalli temporali nei quali viene eseguita la lettura mediante l’unità di lettura 20.
In maggiore dettaglio, in base a considerazioni geometriche si può dimostrare che l’errore di ampiezza à ̈ dato dalla seguente espressione:
Erramp= (A(T2)-A(T4))/2 - Ampref
dove il termine Amprefrappresenta l’ampiezza di riferimento per l’oscillazione in risonanza della massa di pilotaggio 4, ed il termine A(Ti) indica l’ampiezza del segnale di lettura VRnell’intervallo temporale Tj(con j = 1, 2, 3, 4), ad esempio considerata in corrispondenza del punto centrale del corrispondente intervallo temporale.
La coppia di letture T2, T4permette dunque di regolare l’ampiezza di oscillazione; in particolare, si noti come ogni eventuale offset di lettura sia cancellato dall’operazione di differenza nella espressione precedentemente riportata.
Si osserva inoltre che il controllo à ̈ eseguito in funzione dell’ampiezza di oscillazione e non della velocità (come solitamente eseguito nel caso di un giroscopio); tuttavia ciò non costituisce un problema, dato che a pari frequenza la velocità à ̈ proporzionale all’ampiezza, e nel caso di strutture micromeccaniche MEMS, la frequenza di risonanza del sistema à ̈ molto stabile nel tempo ed in temperatura.
Come mostrato in figura 5, in una ulteriore forma di realizzazione, il circuito di pilotaggio, nuovamente indicato con 10, può comprendere inoltre un rilevatore di errore di fase 28.
In tal caso, l’unità di controllo 26 à ̈ configurata in modo da inviare il segnale di lettura VRalternativamente al controllore di ampiezza 27, in primi intervalli temporali tra gli intervalli temporali di lettura, in modo da consentire di effettuare il controllo in retroazione della ampiezza dei segnali di pilotaggio VD1, VD2; o al rilevatore di errore di fase 28, in secondi intervalli temporali tra gli intervalli temporali di lettura, in modo da fornire un’ulteriore informazione di feedback per il controllo in retroazione (di tipo di per sé noto, e nuovamente come descritto nella suddetta domanda di brevetto EP-A-2 259 019) dei segnali di pilotaggio VD1, VD2.
Sono in particolare previsti, in aggiunta ai due intervalli temporali di lettura, T2e T4, due ulteriori intervalli temporali di lettura, indicati con T1e T3, centrati nell’intorno degli istanti temporali 0 e TD/2 (o, per i successivi periodi, (i-1)∙TDe i∙TD/2, i indicando un generico numero intero), dedicati alla lettura di posizione per il rilevamento dell’errore di fase.
In altre parole, durante gli intervalli temporali T1e T3, il gruppo di interruttori 25 viene controllato in modo da collegare il primo ed il secondo terminale di pilotaggio 12, 13 all’unità di lettura dell’attuazione 22, ed il segnale di lettura VRviene inviato dall’unità di controllo al rilevatore di errore di fase 28; in tal caso, il segnale di lettura VRviene pertanto campionato ad una frequenza di campionamento fcpari a quattro volte la frequenza di pilotaggio fd(fc= 4 ∙ fd).
Si può dimostrare che nell’intorno delle condizioni di funzionamento, l’errore di fase Errfi, nei confronti dello sfasamento ideale di -90° rispetto alla frequenza di risonanza, à ̈ dato dalla seguente espressione (derivabile mediante operazioni di linearizzazione):
Errfi= K1∙(A(T1)-A(T3)
dove K1à ̈ un primo coefficiente di proporzionalità , ed il termine A(Ti) indica l’ampiezza del segnale di lettura VRnell’intervallo temporale Ti.
Tale errore di fase Errfià ̈ illustrato in figura 6, in cui si mostra una porzione della funzione di trasferimento relativamente alla fase, in corrispondenza della condizione di risonanza di -90°. L’errore di fase Errfipuò essere utilizzato, in modo di per sé noto, ai fini del controllo della frequenza dei segnali di pilotaggio VD1, VD2.
In figura 7 vengono illustrati i diagrammi temporali dei vari segnali coinvolti, relativamente alla forma di realizzazione appena illustrata.
I vantaggi del circuito di pilotaggio e del giroscopio microelettromeccanico secondo la presente invenzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In ogni caso, si sottolinea nuovamente il fatto che la soluzione descritta richiede un unico gruppo di elettrodi, utilizzato sia per forzare il sistema nella condizione di risonanza, sia per leggere (a tempo discreto) il moto di oscillazione da controllare ed implementare un anello di retroazione, con ovvi risparmi in termini dell’occupazione di area e dei costi di realizzazione.
Inoltre, la soluzione descritta riduce al minimo il tempo dedicato alle letture necessarie al controllo del moto di oscillazione e massimizza perciò l’energia ceduta al sistema durante un ciclo di oscillazione.
Il circuito di pilotaggio richiede inoltre un numero limitato di componenti e blocchi elettronici.
Le suddette caratteristiche rendono il dispositivo giroscopio 1 particolarmente indicato per l’integrazione in un apparecchio elettronico, utilizzabile in una pluralità di sistemi elettronici, ad esempio in sistemi di navigazione inerziale, in sistemi automotive o in sistemi di tipo portatile, quale ad esempio: un PDA (Personal Digital Assistant); un computer portatile; un telefono cellulare; un riproduttore di audio digitale; una foto- o video-camera; un controller di una console per videogiochi; l’apparecchio elettronico 1 à ̈ generalmente in grado di elaborare, memorizzare, trasmettere e ricevere segnali ed informazioni.
In dettaglio, la figura 8 mostra un apparecchio elettronico 30, comprendente il dispositivo giroscopio 1; vantaggiosamente, lo stadio di attuazione 20 e lo stadio di lettura dell’attuazione 22 possono essere realizzati in tecnologia completamente integrata (ad esempio di tipo CMOS o biCMOS) ed integrati in una stessa piastrina di materiale semiconduttore, indicata schematicamente con 32, che può essere disposta con una ulteriore piastrina 33 della struttura di rilevamento microelettromeccanica 2 all’interno di uno stesso contenitore (package), indicato schematicamente con 35 (le due piastrine essendo collegate elettricamente e meccanicamente con tecniche di per sé note).
L’apparecchio elettronico 30 comprende inoltre: un’unità elettronica di controllo 36, ad esempio a microprocessore, collegata allo stadio di lettura 11, ed atta a sovrintendere al funzionamento generale dell’apparecchio elettronico 30, ad esempio anche in funzione delle velocità angolari rilevate e determinate; uno stadio di immissione (input) 37, provvisto di opportuni elementi di introduzione dati utilizzabile da un utente (ad esempio una tastiera); uno stadio di emissione (output) 38, provvisto di opportuni elementi di emissione dati (ad esempio sotto forma di un display); uno stadio di trasmissione/ricezione 39, controllato dall’unità elettronica di controllo 36 per la trasmissione e ricezione di dati, ad esempio con una qualsiasi modalità wireless di tipo noto (quale ad esempio Bluetooth, Wifi, IR, ecc.); ed una memoria 40. I vari elementi dell’apparecchio elettronico 30 possono essere collegati in comunicazione tramite un bus dati 41.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti, senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, à ̈ evidente che i segnali di segnali di pilotaggio VD1, VD2possono avere una differente forma d’onda, ad esempio possono essere di tipo sinusoidale.
Può essere inoltre prevista una sola coppia di letture, nel caso in cui sia richiesto di regolare soltanto l’ampiezza o di rilevare il solo errore di fase degli stessi segnali di pilotaggio VD1, VD2(essendo dunque previsti soltanto gli intervalli temporali T1, T3nel primo caso, o T2, T4nel secondo, coincidente con la prima forma di realizzazione descritta).
La struttura di rilevamento microelettromeccanica 2 può inoltre avere una differente configurazione, ad esempio prevedendo un movimento di attuazione rotatorio, anziché lineare.
In generale, il giroscopio può avere una qualunque diversa struttura microelettromeccanica 2. Ad esempio, la soluzione descritta può essere vantaggiosamente sfruttata in giroscopi con una o più masse di rilevamento mobili linearmente rispetto alla massa di pilotaggio e sensibili a rotazioni di beccheggio e/o rollio (oltre che all’imbardata); in giroscopi con masse di rilevamento a sbalzo o a travi oscillanti attorno ad assi baricentrici o non baricentrici; e in giroscopi monoassiali e multiassiali con massa di pilotaggio oscillante angolarmente.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Circuito di pilotaggio (10), per un dispositivo giroscopio (1) comprendente una struttura micromeccanica di rilevamento (2) avente una massa di pilotaggio (4) atta ad essere azionata in condizione di risonanza, e a cui à ̈ elasticamente accoppiata una massa di rilevamento (5) configurata in modo da consentire il rilevamento di velocità angolare; detto circuito di pilotaggio (10) comprendendo: un gruppo di elettrodi di pilotaggio (14a-14c), accoppiati a detta massa di pilotaggio (4); uno stadio di attuazione (20) configurato in modo da fornire segnali di pilotaggio (VD1, VD2) a detto gruppo di elettrodi di pilotaggio (14a-14c) per causare l’oscillazione in condizione di risonanza di detta massa di pilotaggio (4); e uno stadio di lettura (22) configurato in modo da rilevare il movimento di detta massa di pilotaggio (4) per implementare un controllo in retroazione di detti segnali di pilotaggio (VD1, VD2), caratterizzato dal fatto che detto stadio di lettura (22) à ̈ selettivamente accoppiabile a detto gruppo di elettrodi di pilotaggio (14a-14c), in maniera temporalmente alternativa a detto stadio di attuazione (20), per rilevare a tempo discreto il movimento di detta massa di pilotaggio.
- 2. Circuito di pilotaggio secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre: un gruppo di interruttori (25) interposto tra lo stadio di attuazione (20) ed il gruppo di elettrodi di pilotaggio (14a-14c), ed inoltre tra lo stadio di lettura (22) ed il gruppo di elettrodi di pilotaggio (14a-14c); detto gruppo di interruttori (25) essendo azionabile per accoppiare selettivamente a detto gruppo di elettrodi di pilotaggio (14a-14c), in maniera temporalmente alternativa, detto stadio di attuazione (20) o detto stadio di lettura (22).
- 3. Circuito di pilotaggio secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre un’unità di controllo (26) configurata in modo da controllare detto gruppo di interruttori (25) sulla base di un segnale di temporizzazione (CK); in cui detti segnali di pilotaggio (VD1, VD2) presentano un andamento periodico con periodo di pilotaggio (TD), e detta unità di controllo (26) à ̈ configurata in modo da accoppiare detto stadio di attuazione (20) a detto gruppo di elettrodi di pilotaggio (14a-14c) in una porzione di attuazione di detto periodo di pilotaggio (TD), ed accoppiare detto stadio di lettura (22) a detto gruppo di elettrodi di pilotaggio (14a-14c) in una porzione di lettura di detto periodo di pilotaggio (TD), distinta da detta porzione di attuazione.
- 4. Circuito di pilotaggio secondo la rivendicazione 3, comprendente inoltre un controllore di ampiezza (27), atto a ricevere un segnale di lettura (VR), generato da detta unità di lettura (22), durante primi due intervalli temporali (T2, T4) di detta porzione di lettura.
- 5. Circuito di pilotaggio secondo la rivendicazione 4, in cui detti primi due interavalli temporali (T2, T4) sono centrati nell’intorno di un istante corrispondente ad un quarto e, rispettivamente tre quarti di detto periodo di pilotaggio (TD); ed in cui detto controllore di ampiezza (27) à ̈ configurato in modo da controllare un valore di ampiezza di detti segnali di pilotaggio (VD1, VD2) in funzione della differenza dei valori di ampiezza assunti da detto segnale di lettura (VR) in corrispondenza di detti primi due intervalli temporali (T2, T4).
- 6. Circuito di pilotaggio secondo la rivendicazione 5, in cui detto controllore di ampiezza (27) à ̈ configurato in modo da determinare un errore di ampiezza (Erramp), secondo l’espressione: Erramp= (A(T2)-A(T4))/2 - Ampref dove i termini A(T2) e A(T4) indicano i valori di ampiezza del segnale di lettura (VR) in un rispettivo dei primi due interavalli temporali (T1, T3), ed il termine Amprefindica un’ampiezza di riferimento di detta oscillazione; in cui detto controllore di ampiezza (27) à ̈ configurato in modo da controllare un valore di ampiezza di detti segnali di pilotaggio (VD1, VD2) in funzione di detto errore di ampiezza (Erramp).
- 7. Circuito di pilotaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-6, comprendente inoltre un rilevatore di errore di fase (28), atto a ricevere un segnale di lettura (VR), generato da detta unità di lettura (22), durante secondi due intervalli temporali (T1, T3) di detta porzione di lettura.
- 8. Circuito di pilotaggio secondo la rivendicazione 7, in cui detti secondi due interavalli temporali (T1, T3) sono centrati nell’intorno di un istante iniziale e, rispettivamente centrale, di detto periodo di pilotaggio (TD); ed in cui detto rilevatore di errore di fase (28) à ̈ configurato in modo da determinare un errore di fase (Errfi) in funzione della differenza dei valori di ampiezza assunti da detto segnale di lettura (VR) in corrispondenza di detti secondi due intervalli temporali (T1, T3).
- 9. Circuito di pilotaggio secondo la rivendicazione 8, in cui detto rilevatore di errore di fase (28) à ̈ configurato in modo da determinare detto errore di fase (Errfi), secondo l’espressione: Errfi= K1∙(A(T1)-A(T3)) dove K1à ̈ un coefficiente di proporzionalità , ed i termini A(T1) e A(T3) indicano i valori di ampiezza del segnale di lettura (VR) in un rispettivo dei secondi due interavalli temporali (T1, T3).
- 10. Circuito di pilotaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti segnali di pilotaggio (VD1, VD2) sono segnali periodici ad onda quadra, o segnali sinusoidali.
- 11. Circuito di pilotaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto gruppo di elettrodi di pilotaggio (14a-14c) comprende elettrodi fissi (14a, 14b), solidali ad un corpo fisso (3) di detta struttura micromeccanica di rilevamento (2), ed elettrodi mobili (14c), solidali alla massa di pilotaggio (4) e capacitivamente accoppiati a detti elettrodi fissi (14a, 14b).
- 12. Circuito di pilotaggio secondo la rivendicazione 11, in cui detto stadio di lettura (22) Ã ̈ configurato in modo da rilevare la posizione di detta massa di pilotaggio (4) in funzione di una variazione capacitiva tra detti elettrodi mobili (14c) e detti elettrodi fissi (14a, 14b).
- 13. Dispositivo giroscopio (1) comprendente una struttura micromeccanica di rilevamento (2) avente una massa di pilotaggio (4) atta ad essere azionata in condizione di risonanza, ed una massa di rilevamento (5), accoppiata elasticamente a detta massa di pilotaggio (4) e configurata in modo da consentire il rilevamento di velocità angolare; caratterizzato dal fatto di comprendere un circuito di pilotaggio (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
- 14. Apparecchio elettronico (30) comprendente un dispositivo giroscopio (1) secondo la rivendicazione 13.
- 15. Apparecchio secondo la rivendicazione 14, scelto nel gruppo comprendente: un PDA (Personal Digital Assistant); un computer portatile; un telefono cellulare; un riproduttore di audio digitale; una foto- o videocamera; un controller di una console per videogiochi.
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