JP2018521324A - 積分を用いた慣性パラメータを決定するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本明細書は、積分によって慣性パラメータを決定するためのシステムおよび方法を記載する。共振器（１０４）は、慣性パラメータに基づいて、入力パルス列（１０９）を生成する。ウィンドウ回路（１１６）は、入力パルス列の一部を選択する。排他的論理和回路（１２０）は、排他的論理和演算を用いて、選択部分（１０８）を基準パルス列（１１４）に合成することによって、合成パルス列（１２２）を生成する。カウンタ（１２４）は、合成パルス列（１２２）に基づいて、カウント値をインクリメントする。乗算回路（１５４）は、インクリメントされたカウント値をスケーリングすることによって、慣性パラメータに対応する出力信号（１５６）を生成する。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１５年１１月３０日に提出された米国出願第１４／９５４７４９号に基づく優先権を主張し、その開示全体が引用により本明細書に組み込まれる。

発明の分野
本開示は、一般に、加速および回転などの外部摂動を検出するために構成された慣性センサに関する。慣性センサは、規模上、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のような小規模センサ、中規模センサ、および大規模センサを含む。

背景
線形センサは、外部摂動と共に線形的に変化するシステム出力を生成することによって、外部摂動を測定する。不変のスケール因子を用いて、外部摂動とセンサ出力との間の線形関係を記述することができる。線形センサのシステム出力は、不変のオフセットを含むこともできる。しかしながら、線形センサのスケール因子およびオフセットは、多くの要因により経時的に変化する可能性がある。これらの要因は、温度による機械コンプライアンスの変化、長期的な機械クリープ、不完全なシールまたは内部ガス抜けによるセンサパッケージの圧力の変化、共振器の品質因子の変化、１つ以上の増幅器のゲイン段の変動、容量性帯電効果、センサに印加されたバイアス電圧の変動、信号経路に必要された任意の内部電圧基準の変動、入力オフセット電圧の変動、必要な復調位相およびゲインの変動などの変動を含む。線形センサにおいて、外部の摂動が変化しなくても、スケール因子またはオフセットの変更は、システムの出力に変化をもたらす。これによって、線形センサの精度が経時的に低下する。

センサのシステム出力の変動の制御は、多くの用途において、特に低周波における性能を必要とする用途において重要である。低周波（ｌ／ｆ）ノイズは、低周波性能を低下させる。高レベルのｌ／ｆノイズは、ｌ／ｆノイズによってマスクされた低周波信号を測定するセンサの能力を制限する。例えば、ナビゲーションシステムは、低いｌ／ｆノイズおよび低い変動を有する良好な低周波性能を要求する。多くの有用なナビゲーション信号は、スペクトルの低周波端に現れるため、位置を計算するために、これらの信号を精確に測定しなければならない。

概要
したがって、本明細書は、積分によって慣性パラメータを決定するためのシステムおよび方法を記載する。慣性パラメータを決定するための慣性センサは、ウィンドウ回路を含み、ウィンドウ回路は、慣性パラメータに基づいて入力パルス列を受信し、入力パルス列の一部を選択するように構成されている。慣性センサは、排他的論理和演算を用いて、選択部分を基準パルス列に合成することによって、合成パルス列を生成するように構成された排他的論理和回路を含む。また、慣性センサは、合成パルス列に基づいて、カウント値をインクリメントするように構成されたカウンタ回路を含む。さらに、慣性センサは、インクリメントされたカウント値をスケーリングすることによって、慣性パラメータに対応する出力信号を生成するように構成されたスケーリング回路を含む。

いくつかの例において、慣性センサは、入力パルス列を生成するように構成された共振器を含む。いくつかの例において、ウィンドウ回路は、第２慣性センサから入力パルス列を受信するように構成され、第２慣性センサは、慣性センサと同様の基板上に設けられる。いくつかの例において、慣性センサは、異なる基板上に設けられる。

いくつかの例において、慣性センサは、共振器の振動質量の位置に比例する駆動検知静電容量を生成するように構成された駆動検知キャパシタをさらに含む。慣性センサは、駆動検知静電容量に基づいて、駆動電圧を調整するように構成された駆動調整ループをさらに含むことができる。ウィンドウ回路は、駆動検知静電容量の変化に基づいて、選択部分の開始時間を選択するように構成することができる。選択部分は、振動質量の反転方向に対応するパルスエッジを含まない。

いくつかの例において、慣性センサは、選択部分のパルスをカウントすることによって、振幅調整信号を生成するように構成されたカウンタ調整回路をさらに含む。また、慣性センサは、クロック調整回路を含む。クロック調整回路は、駆動検知静電容量に基づいてクロック信号の周期を調整し、振幅調整信号に基づいてクロック信号の周期を調整することによって、調整後クロック信号を生成するように構成することができる。クロック信号の周波数は、クロック信号の周期の逆数であるため、ロック信号の周期を調整することによって、当然、クロック信号の周波数を調整することができる。

いくつかの例において、慣性センサは、記憶パルス列を記憶するように構成されたメモリを含む。慣性センサは、調整後クロック信号に基づいて、記憶パルス列を調整することによって、基準パルス列を生成するように構成されたパルス生成回路を含むことができる。

いくつかの例において、慣性センサは、選択部分から基準パルス列を減算することによって、偏極パルス列を生成するように構成された加算回路を含むことができる。慣性センサは、偏極パルス列に基づいて、極性信号を生成するように構成された符号検出回路を含むことができる。スケーリング回路は、極性信号を乗算することによって、増加したカウント値をスケーリングすることができる。

いくつかの例において、共振器は、振動質量を含むことができる。また、共振器は、振動質量が整列位置にあるときに、静電容量と静電容量の極値とを生成するように構成されたキャパシタを含むことができる。また、共振器は、静電容量に基づいて、前記入力パルス列を生成するように構成されたアナログフロントエンド回路を含むことができる。いくつかの例において、入力パルス列は、デジタル信号であってもよい。

いくつかの例において、慣性パラメータは、慣性センサの加速度であってもよい。他の例において、慣性センサは、ジャイロスコープであってもよい、慣性パラメータは、ジャイロスコープの振動質量の速度であってもよい。

本開示の上記および他の特徴は、その性質および様々な利点を含み、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を考察すれば、より明らかになるであろう。

パルス列を積分することによって、慣性センサの慣性パラメータを測定するためのシステムを示す図である。 図１に示されたシステムの様々な信号を示すグラフであり、右側のグラフは、入力慣性パラメータがゼロである時間区間に注目しているものである。 図１に示されたシステムの様々な信号を示すグラフであり、右側のグラフは、小さな加速度が存在する時間区間に注目しているものである。 図１に示されたシステムの様々な信号を示すグラフであり、右側のグラフは、入力慣性パラメータが図３に示された時間区間よりも大きな大きさを有する時間区間に注目しているものである。 図１に示されたシステムの様々な信号を示すグラフを示す図であり、右側のグラフは、入力慣性パラメータが非ゼロの大きさおよび負の極性を有する時間区間に注目しているものである。 図１に示されたシステムの様々な信号を示すグラフであり、右側のグラフは、入力慣性パラメータが非ゼロの大きさおよび正の極性を有する時間区間に注目しているものである。 加速度信号および周波数スペクトルを示すグラフである。 可動素子および固定素子の部品を各々示す３つの概略図である。 ＭＥＭＳサブシステムを示す平面概略図である。 振動および回転を受けている図９のＭＥＭＳサブシステムを示す斜視図である。 周期的な幾何形状を有する慣性センサから慣性情報を抽出するために使用された例示的な処理を概略的に示す図である。 ゼロクロス時間点を有する慣性センサから得られたアナログ信号と慣性センサの変位との関連性を示すグラフである。 本明細書に記載の慣性センサの入力信号および出力信号に対する外部摂動の影響を示すグラフである。 発振器の変位に対する電流の応答を示すグラフである。 図１４に示す電流信号のゼロクロス時間点を表す矩形信号および波形を示すグラフである。 図１４に示す変位曲線の追加の時間区間を示すグラフである。 図１１に示す慣性センサの静電容量と図８に示す可動素子の変位との間の関係を示すグラフである。 変位と変位に対する静電容量の１次導関数との間の関係を示すグラフである。 変位と変位に対する静電容量の２次導関数との間の関係を示すグラフである。 時間、容量性電流の変化率および変位の間の関係を示すグラフである。 積分によって慣性パラメータを決定するための方法を示すフローチャートである。

詳細な説明
本開示の全体的な理解を提供するために、積分によって慣性パラメータを決定するためのシステムおよび方法を含むいくつかの例示的な実施例を説明する。

図１は、パルス列を積分することによって、慣性センサの慣性パラメータ１０２を測定するためのシステム１００を示す。いくつかの例において、慣性パラメータは、慣性センサの加速度、慣性センサの回転、および慣性センサの振動質量の速度を含む。慣性センサは、慣性パラメータ１０２によって乱されるＭＥＭＳ要素１０４を含む。例えば、慣性パラメータ１０２が加速度である場合、ＭＥＭＳ要素１０４は、加速度によって乱される。同様に、慣性パラメータが回転である場合、ＭＥＭＳ要素１０４は、回転によって乱される。同様に、慣性パラメータ１０２が振動質量の速度である場合、ＭＥＭＳ要素１０４、またはＭＥＭＳ要素１０４の一部、例えば振動質量は、振動質量の速度で移動する。ＭＥＭＳ要素１０４は、慣性パラメータ１０２に応答して、ＭＥＭＳ出力信号１０６を生成する。ＭＥＭＳ出力信号１０６は、アナログ信号であり、いくつかの例において、１つ以上の周波数成分を含むことができる。アナログフロントエンド（ＡＦＥ）回路１０８は、ＭＥＭＳ出力信号１０６を受信し、デジタルパルス列１０９を生成する。ＡＦＥ回路１０８は、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）および電荷増幅器（ＣＡ）の一方または両方を含むことができる。

デジタルパルス列１０９は、ＭＥＭＳ出力信号１０６のゼロクロス時間に対応するパルスを含む。ウィンドウ回路１１６は、デジタルパルス列１０９を受信し、更なる解析を行うために、デジタルパルス列１０９の一部１１８を選択する。いくつかの例において、ウィンドウ回路１１６は、デジタルパルス列１０９に、最小値０および最大値１を有する矩形波を乗算するように構成されている。このような例において、ウィンドウ回路１１６は、選択時間に１を乗算し、非選択時間に０を乗算することによって、デジタルパルス列の一部１１８を選択する。この選択は、時間マスクウィンドウの適用を含むことができる。ウィンドウ回路１１６は、ＭＥＭＳ要素１０４の発振器が方向を反転する時間に対応するデジタルパルス列１０９の部分を除外するように、選択を行うことができる。これらの反転時間は、デジタルパルス列１０９において発振器の振動数および振幅に依存するゼロクロスまたはパルスエッジを生成するが、デジタルパルス列１０９における他のゼロクロスまたはパルスエッジは、主に発振器の位置に依存する。ウインドウ回路１１６は、ＡＦＥ駆動検知回路１１０から同期信号１１４を受け取る。ウインド回路１１６は、同期信号１１４の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジのいずれかで、選択部分１１８の開始時間を選択するように構成されている。このウインドウ回路１１６は、選択部分１１８の開始をＭＥＭＳ要素１０４の発振器の動作に同期させる。

ＭＥＭＳ要素１０４は、駆動検知ＡＦＥ１１０によって検出される駆動検知信号１０５を生成する。駆動検知信号１０５は、静電容量、電流または電荷であってもよい。いくつかの例において、駆動検知信号１０５は、ＭＥＭＳ要素１０４の振動質量を駆動するために使用された駆動電圧に基づくことができる。いくつかの例において、駆動検知信号１０５は、駆動検知キャパシタによって生成され、ＭＥＭＳ要素１０４の発振器の位置に比例する。駆動検知ＡＦＥ１１０は、駆動検知信号１０５に基づいて、デジタル同期信号１１４を生成する。同期信号１１４は、駆動電圧の周波数および位相に対応する情報を含む。いくつかの例において、同期信号１１４は、ＭＥＭＳ要素１０４の振動質量の各振動の１つの立ち上がりエッジおよび１つの立ち下がりエッジを含む。いくつかの例において、同期信号１１４は、振動質量の各振動の所定の数の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを含み、所定の数は、１ではなくてもよい。したがって、同期信号１１４を用いて、振動質量の振動に他の信号を付けることができる。

また、駆動検知ＡＦＥ１１０は、信号を駆動調整ループ回路１１２に出力する。駆動調整ループ回路１１２は、振動質量の振動の閉ループ制御を実行するように構成されている。駆動調整ループ回路１１２は、駆動検知ＡＦＥ１１０によって提供された１つ以上の信号に基づいて、振動質量の振動の振幅、振動数および位相のうちの１つ以上を制御するように構成することができる。駆動調整ループ回路１１２は、駆動電圧の大きさ、周波数および位相のうちの１つ以上を調整することによって、振動質量の振動を調整することができる。このようにして、振動質量の振動を厳密に調整することができる。

システム１００は、記憶パルス列１４１を記憶するように構成された記憶回路１４０を含む。いくつかの例において、記憶パルス列１４１は、外部摂動が存在せず、パラメータ１０２がゼロ（または既知の値、例えば１ｇ）である時間中に、選択部分１１８から取り込むことができる。記憶パルス列１４１を取り込んだ後、記憶パルス列１４１をメモリ回路１４０に記憶することができる。いくつかの例において、記憶パルス列１４１は、再較正中に取り込まれる。パルス発生器１４２は、記憶回路１４０から記憶パルス列１４１を受け取り、記憶パルス列１４１に基づいて、基準パルス列１４４を生成する。

排他的論理和（ＸＯＲ）回路１２０は、基準パルス列１４４および選択部分１１８を受け取る。排他的論理和回路１２０は、排他的論理和演算を介して、選択部分１１８および基準パルス列１４４を合成することによって、合成パルス列１２２を生成する。カウンタ回路１２４は、合成パルス列１２２を受け取ると共に、クロック回路１３０からクロック信号１３２を受け取る。カウンタ回路１２４は、積分器であってもよい。カウンタ回路１２４は、クロック信号１３２を用いて、合成パルス列１２２を積分する。いくつかの例において、カウンタ回路１２４は、合成パルス列１２２の所定値に対応する各クロックサイクルのカウント値をインクリメントすることによって、積分を行う。例えば、所定値が高い値である場合、カウンタ回路１２４は、合成パルス列１２２が高い値を有する各クロックサイクルのカウント値をインクリメントする。所定値が低い値である場合、カウンタ回路１２４は、同様にカウント値をインクリメントすることができる。カウンタ回路１２４は、所定数のクロックサイクルの間に、条件付きでカウント値をインクリメントし続ける。例えば、所定数のクロックサイクルは、振動質量の振動の１つ以上の周期に対応することができる。所定数のクロックサイクルに達した後、カウンタ回路１２４は、インクリメントされたカウント信号１２６を生成する。所定数のクロックサイクルを減少させることによって、慣性センサの帯域幅を増加させることができ、または所定数のクロックサイクルを増加させることによって、慣性センサの分解能を向上させることができる。

合成パルス列１２２は、選択部分１１８と基準パルス列１４４との間の差の大きさを示す。合成パルス列１１８が基準パルス列１４４と同様の信号である場合、合成パルス列１２２は、ゼロまたは低い値から離れない信号である。しかしながら、選択部分１１８の位相が基準パルス列１４４の位相と異なる場合、合成パルス列１２２は、非ゼロ値または高い値を含む。選択部分１１８の位相は、基準パルス列１４４の位相よりも先行してもよく、遅れてもよい。選択部分１１８の位相および基準パルス列１４４の位相が次第に離れるにつれて、合成パルス列１２２のパルスの周波数および／またはパルス幅が増加する。

システム１００は、選択部分１１８から基準パルス列１４４を減算することによって、偏極パルス列１４８を生成するように構成された加算回路１４６を含む。減算操作は、基準パルス列１４４に−１を乗算してから、選択部分１１８に加算することを含むことができる。偏極パルス列１４８は、選択部分１１８の位相が基準パルス列１４４の位相よりも先行するかまたは遅れるかを示す標記を提供する。システム１００は、偏極パルスを受け取り、慣性パラメータ１０２の方向に基づいて極性信号を生成するように構成された符号検出回路１５０を含む。符号検出回路１５０は、偏極パルス列１４８の所定のウィンドウ内に発生したパルスが正または負であるかを判断することによって、相対位相を決定することができる。例えば、所定の第１ウィンドウ内の偏極パルス列１４８の第１パルスまたは唯一のパルスが正である場合、選択部分１１８の位相が基準パルス列１４４の位相に先行することを意味する。逆に、第１ウィンドウ内の唯一のパルスが負である場合、選択部分１１８の位相が基準パルス列１４４の位相よりも遅れることを意味する。偏極パルス列１４８の第２位置に位置する第２ウィンドウの場合、標記が逆になる。この例において、偏極パルス列１４８の第２ウィンドウ内の第１パルスまたは唯一のパルスが正である場合、選択部分１１８の位相が基準パルス列１４４の位相よりも遅れることを意味する。逆に、第２ウィンドウ内の第１パルスまたは唯一のパルスが負である場合、選択部分１１８の位相が基準パルス列１４４の位相に先行することを意味する。

選択部分１１８の位相を基準パルス列１４４の位相と比較することによって、慣性パラメータ１０２の極性を示すことができる。例えば、正方向の加速度は、選択部分１１８の位相を基準パルス列１４４の位相に先行させることができ、負方向の加速度は、選択部分１１８の位相を基準パルス列１４４の位相よりも遅らせることができる。同様に、第１方向の速度は、選択部分１１８の位相を基準パルス列１４４の位相に先行させることができ、逆方向の速度は、選択部分１１８の位相を基準パルス列１４４の位相よりも遅らせることができる。基準パルス列が記憶パルス列に依存するため、基準パルス列１１４の位相は、慣性パラメータ１０２に影響されない。したがって、選択部分１１８を基準パルス列１４４と比較することは、慣性パラメータ１０２の大きさおよび方向（または極性）の両方の標記を提供することができる。

符号検出回路１５０は、慣性パラメータ１０２が正方向に作用しているときに＋１の値を出力し、慣性のパラメータ１０２が負方向に作用しているときに−１の値を出力するように構成されている。したがって、符号検出回路１５０は、入力慣性パラメータ１０２の極性を判断し、この判断に基づいて、慣性出力信号１５６を適切に極性化するために極性信号１５２を出力するように構成されている。

システム１００は、インクリメントされたカウント値１２６および極性信号１５２を受け取るように構成されたスケーリング回路１５４を含む。スケーリング回路１５４は、乗算回路であってもよい。スケーリング回路１５４は、積算カウント値１２６に極性信号１５２を乗算するように構成され、いくつかの例において、積算カウント値１２６に追加のスケーリング係数を乗算するように構成されている。スケーリング回路は、この乗算に基づいて、出力慣性信号１５６を出力するように構成されている。出力慣性信号１５６は、入力慣性パラメータ１０２の測定値である。スケーリング回路１５４は、積算カウント値１２６に極性信号１５２を乗算することによって、入力慣性パラメータ１０２の極性を説明する。いくつかの例において、スケール因子は、１つ以上の所定の定数で積算カウント値をスケーリングすることによって、慣性パラメータ１０２の測定値を生成する。いくつかの例において、スケール因子は、オフセットおよび／または非線形性を説明するための多項式を含むことができる。スケーリング回路１５４は、スケール因子を適用する前または後に、極性信号１５２で積算カウント値１２６をスケーリングすることができる。スケーリング回路は、１つ以上の所定の定数でスケーリングすることによって、ｇまたはＳＩ単位、ＣＧＳ単位、ＭＫＳ単位、英帝国法定度量単位または米国慣習単位などの適切な加速度または速度の単位で出力慣性信号１５６を提供することができる。

システム１００は、クロック信号１３２を生成するように構成されたクロック回路１３０を含む。クロック回路１３０は、純粋な電子物であってもよく、またはいくつかの例において、１つ以上のＭＥＭＳ共振器を含んでもよい。クロック回路１３０は、クロック信号１３２をクロック調整回路１２８、カウンタ調整回路１３４およびカウンタ回路１２４に供給する。クロック調整回路１２８は、調整後クロック信号１３８をパルス生成回路１４２に供給する。

カウンタ調整回路１３４は、クロック信号１３２を用いて、選択部分１１８を積分する。カウンタ調整回路１３４は、積分器であってもよい。カウンタ調整回路１３４は、選択部分１１８のパルスをカウントすることによって、選択部分１１８を積分する。カウンタ調整回路１３４は、カウントしたパルスに基づいて、振幅調整信号１３６を出力する。振幅調整信号１３６は、ＭＥＭＳ要素１０４の振動質量の振幅に比例する。

クロック調整回路１２８は、駆動検知ＡＦＥ１１０から同期信号１１４を受け取る。クロック調整回路１２８は、同期信号１１４を用いて、ＭＥＭＳ要素の振動質量の振動周期または振動数の変動を調整する。クロック調整回路１２８は、振幅調整信号１３６を用いて、振動質量の振幅の変動を調整する。振動質量の振動数および振幅の変動は、ＭＥＭＳ要素１０４の振動、剛性および固有周波数に影響を与える温度または他の外部要因の変化によって引き起こされる。入力慣性パラメータ１０２も振動質量の周波数、周期および振幅に影響を与えるが、その影響が温度の影響に比べて小さい。したがって、クロック調整回路１２８は、調整後クロック信号１３８を提供することによって、温度などの外部要因の変動を補償することができる。パルス生成回路１４２は、調整後クロック信号１３８を用いて、記憶パルス列１４１を調整する。記憶パルス列１４１を調整し、温度変動を補償することによって、基準パルス列１４４の温度変動を補償する。これは、温度の変動によって引き起こされた振動質量の振幅の変動を考慮することによって、補償することができる。振動質量の振幅が変動する場合、選択部分１１８も変動する。したがって、カウンタ調整回路１３４は、振幅調整信号１３６の出力を変更する。クロック調整回路は、振幅調整信号１３６の変動に基づいて調整後クロック信号１３８を変更するため、基準パルス列１４４は、振動質量の振幅の変動に応じて補償される。システム１００は、温度変動に応じて基準パルス列１４４を補償することによって、選択部分１１８と基準パルス列１４４との間の正確な比較を行い、入力慣性パラメータ１０２を測定することができる。

システム１００は、メモリ、乗算回路、加算回路、積分器、カウンタおよび論理ゲートなどの単純な低電力回路の組み合わせによって、実装することができる。これらの回路を用いて実装されたシステム１００は、高速であり、電力消費も低い。いくつかの例において、システム１００をデューティサイクルにすることによって、電力消費をさらに低減することができる。これらの例において、システムのデジタル部は、所定数のクロックサイクルの間に動作した後、第２の所定数のクロックサイクルの間に動作を停止し、これらの動作を繰り返すことができる。このことは、充分な帯域幅を維持し、バッテリ寿命を延ばすことが重要であるバッテリ駆動応用に有効である。

図２は、入力慣性パラメータ１０２がゼロである時間区間に注目して、システム１００の様々な信号を示すグラフ２００である。グラフ２００は、入力加速度サブグラフ２０２を含む。入力加速度グラフ２０２は、入力加速度を時間の関数として表す加速度曲線２０４を含む。この例において、入力慣性パラメータ１０２は、加速度である。また、グラフ２００は、アナログ信号サブグラフ２０６を含む。アナログ信号サブグラフ２０６は、アナログ出力信号曲線２０８および時間マスクウィンドウ曲線２１０を含む。アナログ出力信号曲線２０８は、ＭＥＭＳ出力信号１０６を表す。アナログ信号サブグラフ２０６において、曲線２０８は、ＴＩＡによって測定された電流を表すが、ＭＥＭＳ要素１０４からの他のアナログ信号を表すこともできる。時間マスク曲線２１０は、ウィンドウ回路１１６が出力用の選択部分１１８を選択するウィンドウを示している。

グラフ２００は、デジタルパルス列曲線２１４および基準パルス列曲線２１６を含む。デジタルパルス列曲線２１４は、デジタルパルス列１０９に対応し、基準パルス列曲線２１６は、基準パルス列１４４に対応する。サブグラフ２１２に示すように、曲線２１４および２１６は、同一であるため、入力慣性パラメータ１０２の大きさがゼロであることを示している。 また、グラフ２００は、ＸＯＲ出力サブグラフ２１８を含む。ＸＯＲサブグラフ２１８は、合成パルス列曲線２２０を示す。合成パルス列曲線２２０は、合成パルス列１２２を表す。図２に示すように、入力慣性パラメータ１０２の大きさがゼロであるため、合成パルス列曲線２２０は、同様に全ての時点でゼロである。

また、グラフ２００は、偏極信号サブグラフ２２２を含む。偏極信号サブグラフ２２２は、偏極パルス列曲線２２４および符号検出ウィンドウ２２６を含む。偏極パルス列曲線２２４は、偏極パルス列１４８に対応する。符号検出回路１５０は、符号検出ウィンドウ２２６内の第１パルスの極性を検出することによって、極性信号１５２の値を決定する。

グラフ２００は、測定サブグラフ２２８を含む。測定サブグラフ２２８は、測定加速度曲線２３０を含む。測定加速度曲線２３０は、出力慣性信号１５６に対応し、システム１００の測定結果を表す。また、グラフ２００は、差分サブグラフ２３２を含む。差分サブグラフ２３２は、差分曲線２３４を含む。差分曲線２３４は、入力加速度曲線２０４と測定加速度曲線２３０との間の差を表す。したがって、差分曲線２３４は、出力信号１５６の測定誤差を表す。

図３は、小さな加速度が存在する時間区間に注目して、システム１００の様々な信号を示すグラフ３００である。グラフ３００は、入力加速度サブグラフ３０２を含む。入力加速度グラフ３０２は、入力加速度を時間の関数として表す加速度曲線３０４を含む。この例において、入力慣性パラメータ１０２は、加速度である。また、グラフ３００は、アナログ信号サブグラフ３０６を含む。アナログ信号サブグラフ３０６は、アナログ出力信号曲線３０８および時間マスクウィンドウ曲線３１０を含む。アナログ出力信号曲線３０８は、ＭＥＭＳ出力信号１０６を表す。アナログ信号サブグラフ３０６において、曲線３０８は、ＴＩＡによって測定された電流を表すが、ＭＥＭＳ要素１０４からの他のアナログ信号を表すこともできる。時間マスク曲線３１０は、ウィンドウ回路１１６が出力用の選択部分１１８を選択するウィンドウを示している。

グラフ３００は、デジタルパルス列曲線３１４および基準パルス列曲線３１６を含む。デジタルパルス列曲線３１４は、デジタルパルス列１０９に対応し、基準パルス列曲線３１６は、基準パルス列１４４に対応する。

また、グラフ３００は、ＸＯＲ出力サブグラフ３１８を含む。ＸＯＲサブグラフ３１８は、合成パルス列曲線３２０を示す。合成パルス列曲線３２０は、合成パルス列１２２を表す。

また、グラフ３００は、偏極信号サブグラフ３２２を含む。偏極信号サブグラフ３２２は、偏極パルス列曲線３２４および符号検出ウィンドウ３２６を含む。偏極パルス列曲線３２４は、偏極パルス列１４８に対応する。符号検出回路１５０は、符号検出ウィンドウ３２６内の第１パルスの極性を検出することによって、極性信号１５２の値を決定する。

グラフ３００は、測定サブグラフ３２８を含む。測定サブグラフ３２８は、測定加速度曲線３３０を含む。測定加速度曲線３３０は、出力慣性信号１５６に対応し、システム１００の測定結果を表す。また、グラフ３００は、差分サブグラフ３３２を含む。差分サブグラフ３３２は、差分曲線３３４を含む。差分曲線３３４は、入力加速度曲線３０４と測定加速度曲線３３０との間の差を表す。したがって、差分曲線３３４は、出力信号１５６の測定誤差を表す。

入力慣性パラメータ１０２がサブグラフ３０６、３１２、３１８および３２２に示された時間区間に対して非ゼロであるため、パルス列曲線３１４の選択部分は、基準パルス列曲線３１６からの時間でオフセットされる。このオフセットは、合成パルス列曲線３２０および偏極パルス列曲線３２４に一連のパルスをもたらす。合成パルス列曲線３２０の積分は、入力慣性パラメータ１０２の大きさに比例する。符号検出ウィンドウ３２６内の第１パルスが正であるため、符号検出回路１５０は、極性信号１５２として＋１の値を出力する。

図４は、システム１００の様々な信号を示すグラフ４００であり、右側のグラフは、入力慣性パラメータ１０２が図３に示された時間区間の間よりも大きな大きさを有する時間区間に注目しているものである。グラフ４００は、入力加速度サブグラフ４０２を含む。入力加速度グラフ４０２は、入力加速度を時間の関数として表す加速度曲線４０４を含む。この例において、入力慣性パラメータ１０２は、加速度である。また、グラフ４００は、アナログ信号サブグラフ４０６を含む。アナログ信号サブグラフ４０６は、アナログ出力信号曲線４０８および時間マスクウィンドウ曲線４１０を含む。アナログ出力信号曲線４０８は、ＭＥＭＳ出力信号１０６を表す。サブグラフ４０６において、曲線４０８は、ＴＩＡによって測定された電流を表すが、ＭＥＭＳ要素１０４からの他のアナログ信号を表すこともできる。時間マスク曲線４１０は、ウィンドウ回路１１６が出力用の選択部分１１８を選択するウィンドウを示している。

グラフ４００は、デジタルパルス列曲線４１４および基準パルス列曲線４１６を含む。デジタルパルス列曲線４１４は、デジタルパルス列１０９に対応し、基準パルス列曲線４１６は、基準パルス列１４４に対応する。

また、グラフ４００は、ＸＯＲ出力サブグラフ４１８を含む。ＸＯＲサブグラフ４１８は、合成パルス列曲線４２０を示す。合成パルス列曲線４２０は、合成パルス列１２２を表す。

また、グラフ４００は、偏極信号サブグラフ４２２を含む。偏極信号サブグラフ４２２は、偏極パルス列曲線４２４および符号検出ウィンドウ４２６を含む。偏極パルス列曲線４２４は、偏極パルス列１４８に対応する。符号検出回路１５０は、符号検出ウィンドウ４２６内の第１パルスの極性を検出することによって、極性信号１５２の値を決定する。

グラフ４００は、測定サブグラフ４２８を含む。測定サブグラフ４２８は、測定加速度曲線４３０を含む。測定加速度曲線４３０は、出力慣性信号１５６に対応し、システム１００の測定結果を表す。また、グラフ４００は、差分サブグラフ４３２を含む。差分サブグラフ４３２は、差分曲線４３４を含む。差分曲線４３４は、入力加速度曲線４０４と測定加速度曲線４３０との間の差を表す。したがって、差分曲線４３４は、出力信号１５６の測定誤差を表す。

図３と同様に、パルス列曲線４１４の選択部分は、基準パルス列曲線４１６からの時間でオフセットされる。しかしながら、入力慣性パラメータ１０２が図４に示された時間区間において図３に示された時間区間よりも大きな大きさを有するため、図４に示されるオフセットは、より大きい。したがって、合成パルス列曲線４２０の位相シフトは、合成パルス列曲線３２０の位相シフトよりも大きい。その結果、合成パルス列曲線４２０の積分は、合成パルス列曲線３２０の積分よりも大きい。図３と同様に、符号検出ウィンドウ４２６内の第１パルスが正であるため、慣性パラメータ１０２の符号も正である。

図５は、システム１００の様々な信号を示すグラフ５００であり、右側のグラフは、入力慣性パラメータ１０２が非ゼロの大きさおよび負の極性を有する時間区間に注目しているものである。グラフ５００は、入力加速度サブグラフ５０２を含む。入力加速度グラフ５０２は、入力加速度を時間の関数として表す加速度曲線５０４を含む。この例において、入力慣性パラメータ１０２は、加速度である。また、グラフ５００は、アナログ信号サブグラフ５０６を含む。アナログ信号サブグラフ５０６は、アナログ出力信号曲線５０８および時間マスクウィンドウ曲線５１０を含む。アナログ出力信号曲線５０８は、ＭＥＭＳ出力信号１０６を表す。サブグラフ５０６において、曲線５０８は、ＴＩＡによって測定された電流を表すが、ＭＥＭＳ要素１０４からの他のアナログ信号を表すこともできる。時間マスク曲線５１０は、ウィンドウ回路１１６が出力用の選択部分１１８を選択するウィンドウを示している。

グラフ５００は、デジタルパルス列曲線５１４および基準パルス列曲線５１６を含む。デジタルパルス列曲線５１４は、デジタルパルス列１０９に対応し、基準パルス列曲線５１６は、基準パルス列１４４に対応する。

また、グラフ５００は、ＸＯＲ出力サブグラフ５１８を含む。ＸＯＲサブグラフ５１８は、合成パルス列曲線５２０を示す。合成パルス列曲線５２０は、合成パルス列１２２を表す。

また、グラフ５００は、偏極信号サブグラフ５２２を含む。偏極信号サブグラフ５２２は、偏極パルス列曲線５２４および符号検出ウィンドウ５２６を含む。偏極パルス列曲線５２４は、偏極パルス列１４８に対応する。符号検出回路１５０は、符号検出ウィンドウ５２６内の第１パルスの極性を検出することによって、極性信号１５２の値を決定する。

グラフ５００は、測定サブグラフ５２８を含む。測定サブグラフ５２８は、測定加速度曲線５３０を含む。測定加速度曲線５３０は、出力慣性信号１５６に対応し、システム１００の測定結果を表す。また、グラフ５００は、差分サブグラフ５３２を含む。差分サブグラフ５３２は、差分曲線５３４を含む。差分曲線５３４は、入力加速度曲線５０４と測定加速度曲線５３０との間の差を表す。したがって、差分曲線５３４は、出力信号１５６の測定誤差を表す。

入力慣性パラメータ１０２が非ゼロの大きさを有するため、パルス列曲線５１４の選択部分の位相は、基準パルス列曲線５１６の位相とは異なる。位相の差は、合成パルス列曲線５２０および偏極パルス列曲線５２４に一連のパルスをもたらす。合成パルス列曲線５２０の積分は、入力加速度の大きさに比例する。符号検出ウィンドウ５２６内に含まれる第１パルスが負であるため、入力慣性パラメータ１０２の極性は、負である。

図６は、システム１００の様々な信号を示すグラフ６００であり、右側のグラフは、入力慣性パラメータ１０２が非ゼロの大きさおよび正の極性を有する時間区間に注目しているものである。グラフ６００は、入力加速度サブグラフ６０２を含む。入力加速度グラフ６０２は、入力加速度を時間の関数として表す加速度曲線６０４を含む。この例において、入力慣性パラメータ１０２は、加速度である。また、グラフ６００は、アナログ信号サブグラフ６０６を含む。アナログ信号サブグラフ６０６は、アナログ出力信号曲線６０８と時間マスクウィンドウ曲線６１０とを含む。アナログ出力信号曲線６０８は、ＭＥＭＳ出力信号１０６を表す。曲線６０８は、ＴＩＡによって測定された電流を表すが、ＭＥＭＳ要素１０４からの他のアナログ信号を表すこともできる。時間マスク曲線６１０は、ウィンドウ回路１１６が出力用の選択部分１１８を選択するウィンドウを示している。

グラフ６００は、デジタルパルス列曲線６１４および基準パルス列曲線６１６を含む。デジタルパルス列曲線６１４は、デジタルパルス列１０９に対応し、基準パルス列曲線６１６は、基準パルス列１４４に対応する。

また、グラフ６００は、ＸＯＲ出力サブグラフ６１８を含む。ＸＯＲサブグラフ６１８は、合成パルス列曲線６２０を示す。合成パルス列曲線６２０は、合成パルス列１２２を表す。

また、グラフ６００は、偏極信号サブグラフ６２２を含む。偏極信号サブグラフ６２２は、偏波パルス列曲線６２４および符号検出ウィンドウ６２６を含む。偏波パルス列曲線６２４は、偏極パルス列１４８に対応する。符号検出回路１５０は、符号検出ウィンドウ６２６内の第１パルスの極性を検出することによって、極性信号１５２の値を決定する。

グラフ６００は、測定サブグラフ６２８を含む。測定サブグラフ６２８は、測定加速度曲線６３０を含む。測定加速度曲線６３０は、出力慣性信号１５６に対応し、システム１００の測定結果を表す。また、グラフ６００は、差分サブグラフ６３２を含む。差分サブグラフ６３２は、差分曲線６３４を含む。差分曲線６３４は、入力加速度曲線６０４と測定加速度曲線６３０との間の差を表す。したがって、差分曲線６３２は、６３４は、出力信号１５６の測定誤差を表す。

サブグラフ６０６、６１２、６１８および６２２に示された時間区間において入力慣性パラメータ１０２の極性が正であるため、符号検出ウィンドウ６２６は、正のパルスを含み、パルス列曲線６１４の選択部分の位相は、基準パルス列曲線６１６の位相よりも先行する。したがって、サブグラフ６０６、６１２、６１８、および６２２に示された時間区間において、符号検出回路１５０は、＋１の値を極性信号１５２として出力する。デジタルパルス列の一部１１８を基準パルス列１４４と比較することによって、システム１００は、入力慣性パラメータ１０２の大きさおよび極性を測定する。システム１００は、出力慣性信号１５６を測定値として生成する。

図７は、加速度信号を示すグラフ７００と、周波数スペクトルを示すグラフ７５０とを示す。グラフ７００は、入力加速度曲線７０４を示すサブグラフ７０２を含む。加速度曲線７０４は、入力慣性パラメータ１０２に対応する。また、グラフ７００は、測定加速度サブグラフ７２８を含む。測定加速度サブグラフ７２８は、システム１００によって測定された加速度を表す測定加速度曲線７３０を含む。測定加速度曲線７３０は、出力慣性信号１５６に対応することができる。また、グラフ７００は、差分サブグラフ７３２を含む。差分サブグラフ７３２は、差分曲線７３４を含む。差分曲線７３４は、入力加速度曲線７０４と測定加速度曲線７３０との間の差を表す。周波数スペクトルグラフ７５０は、スペクトル曲線７５２を含み、スペクトル曲線７５２は、測定加速度曲線７３０の周波数成分を表す。スペクトル曲線７５２は、著しく高くない周波成分を有する入力加速度の周波数において、著しく低い周波成分を示している。

また、図７は、バンド幅表７７０を含む。バンド幅表７７０は、カウンタ回路１２４が積分するシステム１００の（ＭＥＭＳ要素１０２の振動質量の）振動サイクル数と、バンド幅と、分解能との間の関係を示している。表７７０に示す例において、１つの振動サイクルを積分すると、１４００Ｈｚのバンド幅および０．００１ｇの分解能が得られる。しかしながら、１０個の振動サイクルを積分すると、バンド幅を１４０Ｈｚに低下するが、分解能を０．０００１ｇに改善する。表７７０が単なる例示であり、他の関係が存在することができ、他の数の積分サイクルを使用することができる。

図８は、可動素子８０２および固定素子８０４の部品を各々示す３つの概略ビュー８００、８３０および８６０である。ＭＥＭＳ要素１０２は、可動素子８０２および固定素子８０４を含むことができる。ＭＥＭＳ要素１０２の振動質量は、可動素子８０２を含むことができる。図８に示された可動素子８０２および固定素子８０４は各々、複数の構造またはビームを含む。具体的には、固定素子８０４は、ビーム８０６ａ、８０６ｂおよび８０６ｃ（まとめてビーム８０６という）を含む。図８に示された可動素子８０２は、ビーム８０８ａおよび８０８ｂ（まとめてビーム８０８という）を含む。可動素子８０２は、固定素子８０４から距離Ｗ０ ８３２で離間される。距離Ｗ０ ８３２は、可動素子８０２が固定素子８０４に対して振動するにつれて変化し得る。距離Ｗ０ ８３２は、可動素子８０２と固定素子８０４との間の寄生容量に影響を与える。距離Ｗ０ ８３２は、センサの製造可能性を維持しながら、可動素子８０２が静止位置にあるときの寄生容量を最小にするように選択される。ビュー８６０は、ビュー８３０中の矩形領域８４０を詳細に示している。

ビーム８０６および８０８の各々は、ビームの長軸に垂直に突出する複数の部分構造または歯状物を含む。ビーム８０６ｂは、歯状物８１０ａ、８１０ｂおよび８１０ｃ（まとめて歯状物８１０という）を含む。ビーム８０８ｂは、歯状物８１２ａ、８１２ｂおよび８１２ｃ（まとめて歯状物８１２という）を含む。ビーム上の隣接する歯状物は、ピッチ８６２で等間隔に離間される。歯状物８１０および８１２の各々は、線幅８６６によって画定された幅と、起伏深さ８６８によって画定された深さとを有する。対向する歯状物は、歯間隔８６４で離間される。可動ビーム８０８ｂが移動軸８０１に沿って固定ビーム８０６ｂに対して振動する時に、歯間隔８６４は、変化しない。いくつかの例において、製造欠陥によって、歯間隔がピッチ８６２からずれる。しかしながら、このずれは、ピッチ８６２に比べて無視できれば、センサの動作に大きな影響を与えず、本開示において無視することができる。

固定ビーム８０６ｂと可動ビーム８０８ｂとの間には静電容量が存在する。可動ビーム８０８ｂが移動軸８０１に沿って固定ビーム８０６ｂに対して振動すると、静電容量が変化する。歯状物８１０および８１２の対向する歯状物が互いに整列する場合、静電容量は増加し、対向する歯状物が互いずれる場合、静電容量は減少する。ビュー８６０に示された位置において、歯状物８１０が歯状物８１２に対して整列されているため、静電容量は、最大である。歯状物が整列した位置に位置するときに、静電容量が最大であるため、可動ビームが移動軸８０１に沿って単調に移動すると、静電容量は、非単調に変化する。

静電容量は、変性することができる。すなわち、静電容量は、可動ビーム８０８ｂの異なる変位において同様の値を有することができる。可動ビーム８０８ｂが静止位置からピッチ８６２に等しい距離で移動したときの静電容量は、可動ビーム８０８ｂが静止位置にあるときの静電容量と同様である。

図９は、ジャイロスコープ９００の概略平面図を示す。ジャイロスコープ９００は、ｘ、ｙおよびｚ軸を有する右座標系９４８を含む。図示されたジャイロスコープ９００において、左駆動フレーム９２０ａおよび右駆動フレーム９２０ｂ（まとめて駆動フレーム９２０という）は、バネ要素９６６を介して弾性的に連結される。駆動フレーム９２０は、（図示されていない）駆動構造体によって、ｘ軸に沿って相反方向に同期的に振動されている。ジャイロスコープ９００は、ＭＥＭＳサブシステム１０２を表すことができる。

図１０は、振動および回転の両方を受けているジャイロスコープ９００の斜視図を示す。ジャイロスコープ９００は、検出質量１０２２ａおよび１０２２ｂ（まとめて検出質量１０２２という）を含む。検出質量１０２２ａおよび１０２２ｂは、駆動フレーム９２０ａおよび９２０ｂに各々弾性的に連結されている。駆動フレーム９２０がｘ軸に沿って同様の速度で反対方向に振動すると、検出質量１０２２もｘ軸に沿って振動する。ジャイロスコープ９００がｙ軸を中心にした外部回転を受けると、検出質量１０２２は、ｚ軸に沿って同様の変位で反対方向に偏向される。ｙ軸を中心にした回転によってｚ軸の変位は、コリオリ効果によるものであり、ｘ軸に沿った検出質量の速度とｙ軸を中心にした回転の速度とのクロス乗積に比例する。いくつかの例において、検出質量１０２２は、直角位相および／または加速度によって、ｚ軸に沿って変位することもできる。ｚ軸に沿った検出質量の変位を検出することにより、ｙ軸を中心にしたジャイロスコープ９００の回転を検出し、定量化することができる。駆動フレーム９２０は、可動ビーム８０８を含むことができ、全体フレームは、固定ビーム８０６を含むことができる。これらを用いて、駆動フレーム９２０の速度を測定することができる。

図１１は、周期的な幾何形状を有する慣性センサから慣性情報を抽出するために使用される例示的な処理を概略的に示す。図１１は、外部摂動１１０１に影響されている慣性センサ１１００を含む。慣性センサ１１００は、システム１００を含むことができ、外部摂動１１０１は、入力慣性パラメータ１０２を含むことができる。駆動信号１１１０は、センサ１１００の可動部分を振動させる。可動部分は、可動素子８０２であってもよい。可動素子８０２および固定素子８０４に電気的に接続されたＡＦＥは、可動素子８０２と固定素子８０４との間の静電容量を測定し、測定した静電容量に基づいて信号を出力する。ＡＦＥは、容量性電流または電荷を測定することによって、静電容量を測定することができる。ＡＦＥ出力信号が瞬間的にゼロの大きさを有するときに、ＡＦＥ出力信号のゼロクロスが発生する。慣性センサ１１００からの出力信号のゼロクロスは、１１０２および１１０４で生成され、１１０６で合成信号に合成される。信号処理モジュール１１０８は、合成されたアナログ信号を処理することによって、慣性情報を決定する。１つ以上のプロセスは、合成されたアナログ信号を矩形波形１１１２に変換することができる。この変換は、比較器を用いて、アナログ信号をレールに増幅することによってまたは他の方法によって、達成することができる。

矩形波形１１１２は、高い値と低い値とを有する矩形パルス列を含み、高い値と低い値との間の遷移は、実質的な時間を要しない。高い値と低い値との間の遷移は、合成されたアナログ信号のゼロクロスに対応する。可動素子８０２の変位１１１８が基準レベル１１１４および１１１６に交差するときに、高い値および低い値とゼロクロスとの間の遷移が発生する。基準レベル１１１４および１１１６は、センサ１１００の可動部分の物理位置に対応する。ゼロクロスが特定の物理位置に関連するため、慣性センサの性能を低下させる可能性のある変動、クリープおよび他の要因に影響されず、変位情報を確実に決定することができる。

図１２は、ゼロクロス時間点を有する慣性センサ１１００から得られたアナログ信号と慣性センサの変位との関連性を示すグラフ１２００である。グラフ１２００は、対向する歯状物が静止位置で整列されている場合に、発振器から得られた信号を示している。グラフ１２００は、曲線１２０２、１２０４および１２０６を含む。曲線１２０２は、アナログフロントエンド、例えば、ＴＩＡからの出力を示している。ＴＩＡが入力電流に比例して信号を出力するため、曲線１２０２は、慣性装置、例えば慣性装置１１００の可動素子と固定素子との間に測定された容量性電流を示している。曲線１２０６は、慣性センサ１１００に適用される入力加速度を示す。慣性装置曲線１２０６によって示された入力加速度は、２０Ｈｚで１５ｇの加速度である。曲線１２０４は、慣性装置１１００の可動素子が振動するときの変位を示している。

図１２は、曲線１２０２がゼロレベルに交差する点を示す曲線１２０２上の四角符号を含む。容量性電流が静電容量の１次導関数に比例するため、これらの電流のゼロクロスは、慣性装置の可動素子と固定素子との間の静電容量の局所極大値または局所極小値（極値）を表す。図１２は、曲線１２０２がゼロに交差する時間に対応する点を示す曲線１２０４上の円形符号を含む。これらの円形符号は、発振器の可動素子の物理位置と信号１２０２の出力のゼロクロス時間点との間の相互関係を表す。

時間１２１８において、変位曲線１２０４によって示されたように、発振器の可動素子の変位が最大であり、発振器が静止しているため、曲線１２０２は、ゼロに交差する。この場合、必ずしも必要ではないが、発振器の歯状物またはビームが対向する歯状物またはビームに整列され、可動素子がゼロの速度を有するため、静電容量は、局所極値に達する。時間１２２０において、発振器の変位が＋ｄ_０位置１２０８に達するため、ＴＩＡ出力曲線１２０２は、ゼロに交差する。＋ｄ_０位置１２０８は、ピッチ距離に等しい位置方向の変位に対応し、対向する歯状物またはビームが整列され、最大の静電容量を生成する。時間１２２２において、発振器の可動素子の歯状物が非整列位置にあるため、ＴＩＡ出力曲線１２０２は、ゼロに交差する。これは、可動素子８０２の歯状物が固定素子８０４の歯状物の間の間隙の中央位置に整列され、最小の静電容量を生成するときに生じる。この最小の静電容量は、正方向のピッチ距離の半分の変位に対応する＋ｄ_０／２位置１２１０で生じる。

時間１２２４において、可動素子８０２の歯状物が固定素子８０４の歯状物に整列され、最大の静電容量を生成するため、ＴＩＡ出力曲線１２０２は、ゼロに交差する。時間１２２４は、曲線１２０４上のゼロ変位１２１２によって示されたように、可動素子が静止位置にある時間に対応する。時間１２２６において、可動素子８０２の歯状物と固定素子８０４の歯状物とが非整列になり、局所極小値の静電容量を生成するため、ＴＩＡ出力２２０２は、ゼロに交差する。この非整列は、負方向のピッチ距離の半分の変位に対応する−ｄ_０／２位置１２１４で発生する。

時間１２２８において、可動素子８０２の歯状物が固定素子８０４の歯状物に対して整列され、局所極大値の静電容量を生成するため、ＴＩＡ出力１２０２は、ゼロに交差する。この静電容量の局所極大値は、負方向のピッチ距離の半分の変位に対応する−ｄ_０位置１２１６で生じる。時間１２３０において、可動素子８０２が方向を逆転する際にゼロの速度を有するため、ＴＩＡ出力曲線１２０２は、ゼロに交差する。この方向の逆転は、変位曲線１２０４によって示される。時間１２１８において、可動素子がゼロの速度を有するときに、静電容量が時間と共に変化しないため、（静電容量の１次導関数に比例する）電流およびＴＩＡ出力は、ゼロである。

図１３は、本明細書に記載の慣性センサの入力信号および出力信号に対する外部摂動の影響を示すグラフ１３００である。グラフ１３００は、ＴＩＡ出力曲線１２０２、変位曲線１２０４、および入力加速度曲線１２０６を含む。グラフ１３００は、グラフ１２００に示された同様の信号を示している。唯一の違いとして、グラフ１３００は、グラフ１２００より長い時間を表示している。グラフ１３００により長い時間を表示すると、入力加速度曲線１２０６の周期性をより容易に識別することができる。さらに、グラフ１３００から、同様の周期性を有する最大変位交差１３２０および最小変位交差１３２２を識別することができる。振幅が時間と共に変化する最大変位交差１３２０および最小変位交差１３２２とは対照的に、＋ｄ_０／２位置１２０８、０位置１２１２、−ｄ_０／２位置１２１４および−ｄ_０位置１２１６に位置する固定素子および可動素子８０４および８０２の歯状物の整列または非整列によってトリガされたＴＩＡ出力信号１２０２のゼロクロスは、時間と共に安定している。振幅が時間と共に安定する基準交差は、変動に依存せず、安定した発振器の変位の表示を提供する。これらの基準交差を用いて、慣性パラメータを抽出することができる。

図１４は、発振器の変位に対する電流の応答を示すグラフ１４００である。グラフ１４００は、電流曲線１４０２および変位曲線１４０４を含む。電流曲線１４０２は、ＴＩＡの入力信号を表す。ＴＩＡは、入力信号に応答して、ＴＩＡ出力曲線１２０２などの出力信号を生成することができる。電流曲線１４０２は、変位曲線１４０４に従って、可動ビーム８０２の変位に応答して、固定ビーム８０４と可動ビーム８０２との間の容量性電流を示す。電流曲線１４０２は、時間１４２４、１４２６、１４２８および１４３０を含む複数の時間においてゼロに交差する。グラフ１４００に示されたように、可動素子８０２は、時間１４２４および１４３０において−ｄ_０の変位を有する。グラフ１４００に示されたように、可動素子８０２は、時間１４２６および１４２８において＋ｄ_０の変位を有する。

グラフ１４００は、２つの時間区間Ｔ_４３ １４３２およびＴ_６１ １４３４を含む。時間区間Ｔ_４３ １４３２は、時間１４２６と時間１４２８との間の時間差に対応する。時間区間Ｔ_６１ １４３４は、時間１４２４と時間１４３０との間の時間差に対応する。したがって、時間区間Ｔ_６１ １４３４は、−ｄ_０レベル１４１６の次の交差の間の時間に対応し、時間区間Ｔ_４３ １４３２は、＋ｄ_０レベル１４０８の次の交差の間の時間に対応する。時間区間Ｔ_４３ １４３２およびＴ_６１ １４３４を決定するために使用された方法を用いて、他の時間区間、例えば、＋ｄ_０レベル１４０８の交差と−ｄ_０レベル１４１６の次の交差との間の時間区間、−ｄ_０レベル１４１６の交差と＋ｄ_０レベル１４０８の次の交差との間の時間区間、時間１４３０と＋ｄ_０レベル１４０８の次の交差との間の時間区間、ゼロ１４１２の交差間の時間区間、変位の最大値または最小値によるゼロクロス間の時間区間、または電流曲線２００２のゼロクロスの他の任意の組合せまたは電流曲線１４０２に対応するＴＩＡ出力信号との間の時間区間を決定することができる。

図１５は、電流信号１４０２のゼロクロス時間点を表す矩形波形信号を示すグラフ１５００である。グラフ１５００は、矩形波形曲線１５３６を含む。矩形波形曲線１５３６は、実質的に２つの値、すなわち、高い値および低い値を有する。矩形波形曲線１５３６は、高い値と低い値との間で遷移するときに中間値を有することができるが、中間値に費やされた時間は、高い値および低い値に費やされた合成時間よりも遥かに短い。

様々な方法を用いて、例えば、比較器を用いて入力信号の変化を検出することによって、増幅器を飽和させるように入力信号を増幅器の限界まで増幅する（レールまで増幅する）ことによって、アナログ／デジタル変換器などを使用することによって、矩形波形曲線１５３６を生成することができる。電流曲線１４０２からこの矩形波形曲線１５３６を生成する１つの方法は、比較器を用いて電流曲線１４０２のゼロクロスを検出することである。電流曲線１４０２が基準レベル（例えば、ゼロ）よりも大きい値を有するときに、比較器は、高い値を出力し、電流曲線１４０２が基準レベル（例えば、ゼロ）よりも小さい値を有するときに、比較器は、低い値を出力する。電流曲線１４０２が負値から正値に遷移するときに、比較器の出力は、低い値から高い値に遷移する。電流曲線１４０２が正値から負値に遷移するときに、比較器の出力は、高い値から低い値に遷移する。したがって、矩形波形曲線１５３６の立ち上がりエッジの時間は、電流曲線１４０４の負から正のゼロクロス時間に対応し、矩形波形曲線１５３６の立ち下がりエッジは、電流曲線１４０２の正から負のゼロクロス時間に対応する。

矩形波形曲線１５３６は、電流曲線１４０２と同様の時間区間１４３２および１４３４を含む。電流曲線１４０２を矩形波形曲線１５３６のような矩形波形信号に変換する１つの利点は、矩形波形信号において、立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジが急峻であるからである。急峻な立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジは、エッジのタイミングをより正確に解決することができ、タイミングの不確実性を低減する。別の利点は、方形波信号がデジタル処理に適していることである。

図１６は、変位曲線１４０４の追加の時間区間を示すグラフ１６００である。グラフ１４００に示された時間に加えて、グラフ１６００は、時間１６３６および１６３８を含む。グラフ１４００に示された時間区間に加えて、グラフ１６００は、時間区間Ｔ_９４ １６４０および時間区間Ｔ_７６ １６６２を含む。時間区間Ｔ_９４ １６４０は、両方がｄ_０レベル１４０８との交差である時間１４３８と時間１６３８との間の時間区間に対応する。時間区間Ｔ_７６ １６４２は、両方が−ｄ_０レベル１４０８との交差である時間１４３０と時間１６３６との間の時間区間に対応する。

図１２に見られるように、変位曲線１２０４によって示された発振器変位は、加速度曲線１２０６によって示された入力加速度に相関するオフセットで補償される。したがって、変位曲線１４０４のシフトを検出し、したがって入力加速度を検出する１つの方法は、ゼロクロス時間の相対位置を比較する。例えば、時間区間Ｔ_４３ １４３２およびＴ_９４ １６４０の合計は、区間Ｔ_６１１４３４およびＴ_３６１６４２の合計と同様に、発振周期を表す。発振周期の一部、例えば、時間区間Ｔ_４３ １４３２をＴ_４３ １４３２とＴ_９４ １６４０との合計を比較することは、発振器が＋ｄ_０レベル１４０８よりも大きい変位に費やした時間の割合を表す。基準からこの割合の増加は、基準よりも大きい正方向加速度を示す。同様に、基準からこの割合の減少は、基準よりも大きい負方向加速度を示す。本明細書に記載のシステムおよび方法を用いて、矩形波形の部分を積分することによって、ゼロクロス時間の相対位置を決定することができ、したがって、加速度、回転および／または速度を決定することができる。

図１７は、慣性センサ１１００の静電容量と可動素子８０２の変位との関係を示すグラフである。図１７は、周期的且つ実質的に正弦波である静電容量曲線１７０２を含む。したがって、可動素子１０２の単調運動は、変位と共に非単調に変化する静電容量を生成する。静電容量の非単調変化は、センサ１００の幾何構造およびセンサ１００を励起する方法に依存する。

図１８は、変位と変位に対する静電容量の１次導関数との間の関係を示すグラフである。図１８は、周期的且つ実質的に正弦波であるｄＣ／ｄｘ曲線１８０２を含む。ｄＣ／ｄｘ曲線１８０２は、容量曲線１７０２の１次導関数である。したがって、容量曲線１７０２が局部極値を有するするときに、ｄＣ／ｄｘ曲線１８０２は、ゼロに交差する。容量性電流は、静電容量の１次導関数に比例するため、ｄＣ／ｄｘ曲線１８０２に比例し、ｄＣ／ｄｘ曲線１８０２のゼロクロスを共有する。

図１９は、変変位と変位に対する静電容量の２次導関数との間の関係を示すグラフである。図１９は、ｄ^２Ｃ／ｄｘ^２曲線１９０２を含む。ｄ^２Ｃ／ｄｘ２曲線１９０２は、ｄＣ／ｄｘ曲線１８０２の１次導関数であり、そのため、ｄＣ／ｄｘ曲線１８０２の局所極値にゼロの値を有する。ｄ^２Ｃ／ｄｘ^２曲線１９０２は、ｄＣ／ｄｘ曲線１８０２の勾配を示し、したがって電流が最も急速に変化する位置を示す。いくつかの実現例において、電流曲線の急峻度を最大にするために、ｄ^２Ｃ／ｄｘ^２曲線１９０２の振幅を最大にすることが望ましい。これによって、電流のゼロクロスのタイミングを解決する際の不確実性を低減することができる。ゼロクロス時間の不確実性を低減すると、システムノイズおよびジッタが減少し、システムに必要なゲインが減少する。ジッタの減少は、外部摂動の改善された分解能をもたらす。いくつかの実現例において、可変寄生容量、すなわち、発振器の動作に従って変化する寄生容量の影響を最小にすることが望ましい。

図２０は、時間、容量性電流の変化率および変位の間の関係を示すグラフである。図２０は、ｄＩ／ｄｔ曲線２００２を含む。ｄＩ／ｄｔ曲線２００２を決定するために使用された容量性電流は、容量性曲線１７０２を生成するために使用されるキャパシタの両端に固定電圧を印加することによって得られる。ｄＩ／ｄｔ曲線２００２は、時間に従って容量性電流が変化する速度を表るため、電流勾配の急峻度を示す指標を提供する。ｄＩ／ｄｔ信号の大きな振幅は、急激に変化する電流および電流の高勾配を示す。図１７〜２０に示す曲線を生成するために使用された発振器は、ゼロ変位付近で発振し、＋１５μｍおよび−１５μｍの位置で方向を反転するため、発振器の速度は、変位極値で最も低い。これらの変位極値において、電流もそれほど急速に変化しないため、ｄＩ／ｄｔ曲線２００２は、より小さい幅を有する。ｄＩ／ｄｔ曲線２００２が大きい値を有するゼロクロスを使用すると、タイミング分解能を向上し、ジッタを減少する。これらのゼロクロスは、発振器の範囲の中心付近で発生する。

図２１は、積分によって慣性パラメータを決定するための方法２１００を示すフローチャートである。方法２１００は、システム１００によって実施することができる。ステップ２１０２において、入力パルス列を受け取る。入力パルス列は、デジタルパルス列１０９であってもよい。

ステップ２１０４において、入力パルス列の一部を選択する。選択した部分は、選択部分１１８であってもよい。ウィンドウ回路１１６は、ステップ２１０２および２１０４を実施することができる。

ステップ２１０６において、選択部分を基準パルス列に合成することによって、合成パルス列を生成する。合成パルス列は、合成パルス列１２２であってもよい。ＸＯＲ回路１２０は、ステップ２１０６を実施することができる。

ステップ２１０８において、クロック信号および合成パルス列に基づいて、カウント値をインクリメントする。インクリメントされたカウント値は、インクリメントされたカウント値１２６であってもよく、クロック信号は、クロック信号１３２であってもよい。カウンタ回路１２４は、ステップ２１０８を実施することができる。

ステップ２１１０において、スケール因子に基づいて、インクリメントされたカウント値をスケーリングする。スケーリング回路１５４は、ステップ２１１０を実施することができる。スケール因子は、１つ以上の所定の定数または多項式を含むことができる。いくつかの例において、ステップ２１１０において、スケーリング回路１５４はまた、極性信号１５２を乗算する。方法２１００を実行することによって、システム１００は、入力パルス列に基づいて出力慣性パラメータを生成する。

いくつかの例において、システム１００は、単一の基板上に配置された単一の混合信号特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に含まれる。他の例において、システム１００は、複数の集積回路に分散して配置される。例えば、アナログ要素（ＭＥＭＳ要素１０４、ＡＦＥ回路１０８、駆動検知ＡＦＥ１１０、および駆動調整ループ回路１１２）は、１つ以上のアナログ回路に含まれてもよく、システム１００の残りの部分は、１つ以上のデジタル回路に含まれてもよい。複数の集積回路は全て、単一の基板上に配置されてもよい。いくつかの例において、複数の集積回路は、電気的に接続された複数の基板にわたって分散させることができる。いくつかの例において、システム１００の一部または全部は、１つ以上のデジタルプロセッサを用いて実装される。

本明細書に記載のシステムは、リソグラフィ、堆積およびエッチングなどのＭＥＭＳおよびマイクロエレクトロニクス製造プロセスを用いて製造することができる。リソグラフィを用いてＭＥＭＳ構造の特徴をパターン化し、エッチングを用いて選択部分を除去する。エッチングは、深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）および湿式エッチングを含むことができる。いくつかの例において、１つ以上の中間金属層、半導体層および／または絶縁層を堆積する。基板ウエハは、シリコンのようなドープされた半導体であってもよい。いくつかの例において、イオン注入を用いて、リソグラフィによって画定された領域のドーピングレベルを増加させることができる。振動質量をシリコン基板ウエハに画定し、その後、シリコンからなる上部被覆ウエハおよび下部被覆ウエハに接合することができる。このように振動質量を包むことによって、振動質量の周囲の容積を排気することができる。いくつかの例において、装置の使用期間において低圧を維持するために、排気された体積内にチタンのようなゲッタ材料を堆積することができる。この低圧は、共振器の品質係数を高める。スパッタリングまたは物理蒸着（ＰＶＤ）のような金属堆積技術を用いて、ＭＥＭＳ構造から導電トレースを堆積することができる。これらの導電トレースは、ＭＥＭＳ構造の活性領域を図１に示すマイクロ電子回路に電気的に接続する。同様の導電トレースを用いて、図１に示すマイクロ電子回路を互いに電気的に接続することができる。製造されたＭＥＭＳおよびマイクロエレクトロニクス構造は、ワイヤボンディングおよびフリップチップパッケージングを含む半導体パッケージング技術を用いて、パッケージングすることができる。

「メモリ」という用語は、本明細書に使用された場合、例えば、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ／２ ＳＤＲＡＭ、ＥＤＯ／ＦＰＭＳ、ＲＬＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、フラッシュメモリ（例えば、ＡＮＤ／ＮＯＲ、ＮＡＮＤ）、メモリスタメモリおよびＰＳＲＡＭを含むがこれらに限定されないデジタルデータを記憶するように構成された任意種類の集積回路または他の記憶装置を含む。

「プロセッサ」という用語は、本明細書に使用された場合、一般的に、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、汎用プロセッサ（ＣＩＳＣ）、マイクロプロセッサ、ゲートアレイ（例えば、ＦＰＧＡ）、ＰＬＤ、再構成可能コンピュートファブリック（ＲＣＦ）、アレイプロセッサ、セキュアマイクロプロセッサ、および特定用途向け集積回路ＡＳＩＣを含むがこれらに限定されない任意種類のデジタルプロセッサを含む。これらのデジタルプロセッサは、単一の集積回路ダイに含まれてもよく、複数の構成要素に分散されてもよい。

システムの上記の説明から、様々な技術を用いて、本開示の範囲から逸脱することなく、システムの概念を実施することできることが明らかである。例えば、いくつかの例において、本明細書に記載の回路のいずれは、可動部分を有さないプリント回路として実装されてもよい。さらに、システムの様々な特徴は、処理装置（例えば、汎用プロセッサ、ＡＳＩＣ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））上で実行されるソフトウェアルーチンまたは命令として実装されてもよい。本明細書に記載の実施形態は、全ての点で例示的であり、限定的なものではない。理解すべきことは、本開示のシステムは、明細書に記載された特定の例に限定されず、特許請求の範囲から逸脱することなく、他の例に実施され得ることである。

同様に、特定の順序で操作を図面に示すが、理解すべきことは、所望の結果を得るために、図示の特定順序または順番でこれらの操作を実行する必要がないまたは図示の操作の全てを実行する必要がないことである。

Claims (28)

1. 慣性パラメータを決定するための慣性センサであって、
   前記慣性パラメータに基づいて入力パルス列を受信し、前記入力パルス列の一部を選択するように構成されたウィンドウ回路と、
   排他的論理和演算を用いて、前記選択部分を基準パルス列に合成することによって、合成パルス列を生成するように構成された排他的論理和回路と、
   前記合成パルス列に基づいて、カウント値をインクリメントするように構成されたカウンタ回路と、
   前記インクリメントされたカウント値をスケーリングすることによって、前記慣性パラメータに対応する出力信号を生成するように構成されたスケーリング回路とを含む、慣性センサ。
2. 前記入力パルス列を生成するように構成された共振器をさらに含む、請求項１に記載の慣性センサ。
3. 前記ウィンドウ回路は、異なる基板上の第２慣性センサから、前記入力パルス列を受信するように構成されている、請求項１に記載の慣性センサ。
4. 前記共振器の振動質量の位置に比例する駆動検知静電容量を生成するように構成された駆動検知キャパシタをさらに含む、請求項２に記載の慣性センサ。
5. 前記駆動検知静電容量に基づいて、駆動電圧を調整するように構成された駆動調整ループをさらに含む、請求項４に記載の慣性センサ。
6. 前記ウィンドウ回路は、前記駆動検知静電容量の変化に基づいて、前記選択部分の開始時間を選択するように構成されている、請求項４または５に記載の慣性センサ。
7. 前記選択部分は、前記振動質量の反転方向に対応するパルスエッジを含まない、請求項６に記載の慣性センサ。
8. 前記選択部分のパルスをカウントすることによって、振幅調整信号を生成するように構成されたカウンタ調整回路と、
   前記駆動検知静電容量に基づいてクロック信号の周期を調整し、前記振幅調整信号に基づいて前記クロック信号の周期を調整することによって調整後クロック信号を生成するように構成されたクロック調整回路とをさらに含む、請求項４〜７のいずれか１項に記載の慣性センサ。
9. 記憶パルス列を記憶するように構成されたメモリと、
   前記調整後クロック信号に基づいて前記記憶パルス列を調整することによって、前記基準パルス列を生成するように構成されたパルス生成回路とをさらに含む、請求項８に記載の慣性センサ。
10. 前記選択部分から前記基準パルス列を減算することによって、偏極パルス列を生成するように構成された加算回路と、
    前記偏極パルス列に基づいて、極性信号を生成するように構成された符号検出回路とをさらに含み、
    前記スケーリングは、前記極性信号を乗算することを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の慣性センサ。
11. 前記共振器は、
    振動質量と、
    前記振動質量が整列位置にあるときに、静電容量と前記静電容量の極値とを生成するように構成されたキャパシタと、
    前記静電容量に基づいて、前記入力パルス列を生成するように構成されたアナログフロントエンド回路とをさらに含む、請求項２に記載の慣性センサ。
12. 前記入力パルス列は、デジタル信号である、請求項１１に記載の慣性センサ。
13. 前記慣性パラメータは、前記慣性センサの加速度である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の慣性センサ。
14. 前記慣性センサは、ジャイロスコープであり、
    前記慣性パラメータは、前記ジャイロスコープの振動質量の速度である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の慣性センサ。
15. 慣性センサの慣性パラメータを決定する方法であって、
    前記慣性センサのウィンドウ回路を用いて、前記慣性パラメータに基づいて、入力パルス列を受信するステップと、
    前記ウィンドウ回路を用いて、前記入力パルス列の一部を選択するステップと、
    前記慣性センサの排他的論理和回路を用いて、排他的論理和演算を介して、前記選択部分を基準パルス列に合成することによって、合成パルス列を生成するステップと、
    前記慣性センサのカウンタ回路を用いて、前記合成パルス列に基づいて、カウント値をインクリメントするステップと、
    慣性センサのスケーリング回路を用いて、前記インクリメントされたカウント値をスケーリングすることによって、前記慣性パラメータに対応する出力信号を生成するステップとを含む、方法。
16. 前記慣性センサの共振器を用いて、前記入力パルス列を生成するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記入力パルス列は、異なる基板上に設けられた第２慣性センサから受信される、請求項１５に記載の方法。
18. 前記慣性センサの駆動検知キャパシタを用いて、前記共振器の振動質量の位置に比例する駆動検知静電容量を生成するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記慣性センサの駆動調整ループを用いて、前記駆動検知静電容量に基づいて、駆動電圧を調整するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記慣性センサの前記ウィンドウ回路を用いて、前記駆動検知静電容量の変化に基づいて、前記選択部分の開始時間を選択するステップをさらに含む、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記選択部分は、前記振動質量の反転方向に対応するパルスエッジを含まない、請求項２０に記載の方法。
22. 前記慣性センサのカウンタ調整回路を用いて、前記選択部分のパルスをカウントすることによって、振幅調整信号を生成するステップと、
    前記慣性センサのクロック調整回路を用いて、前記駆動検知静電容量に基づいてクロック信号の周期を調整し、且つ、前記振幅調整信号に基づいて前記クロック信号の周期を調整することによって、調整後クロック信号を生成するステップとをさらに含む、請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記慣性センサのメモリを用いて、記憶パルス列を記憶するステップと、
    前記慣性センサのパルス生成回路を用いて、前記調整後クロック信号に基づいて、前記記憶パルス列を調整することによって、前記基準パルス列を生成するステップとをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記慣性センサの加算回路を用いて、前記選択部分から前記基準パルス列を減算することによって、偏極パルス列を生成するステップと、
    前記慣性センサの符号検出回路を用いて、前記偏極パルス列に基づいて、極性信号を生成するステップとをさらに含み、
    前記スケーリングは、前記極性信号を乗算することを含む、請求項１５〜２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記慣性センサのキャパシタを用いて、前記慣性センサの振動質量が整列位置にあるときに、静電容量と前記静電容量の極値とを生成するステップと、
    前記慣性センサのアナログフロントエンド回路を用いて、前記静電容量に基づいて、前記入力パルス列を生成するステップとをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
26. 前記入力パルス列は、デジタル信号である、請求項２５に記載の方法。
27. 前記慣性パラメータは、加速度である、請求項１５〜２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記慣性パラメータは、ジャイロスコープの振動質量の速度である、請求項１５〜２６のいずれか１項に記載の方法。