JP2019144241A - ジャイロスコープのための感度増幅器ならびに関連システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープに関連して使用するための感度増幅器を提供する。【解決手段】感度増幅器は、ジャイロスコープ信号、すなわち、角運動に応答してジャイロスコープによって生成される信号のレベルを、角速度を推測するように構成された処理回路に適切なレベルに変化させるように構成され得る。感度増幅器はさらに、出力信号のＤＣ成分の放電を可能にするＤＣ放電経路を提供し得る。ＤＣ放電経路は、アンチエイリアスフィルタおよび抵抗回路を含み得る。アンチエイリアスフィルタは、抵抗回路を線形領域内に維持するために出力信号をろ波し得る。アンチエイリアスフィルタは、離散周波数サブバンドがブロックされるかまたは少なくとも減衰されるような周波数応答で設計され得る。周波数サブバンドは、ジャイロスコープの共振周波数およびその整数倍数に実質的に整合するように調整され得る。【選択図】図３A

Description

本出願は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープに関する。

ＭＥＭＳジャイロスコープは、コリオリの力によって生成される加速度を検知することによって角運動を検出する。コリオリの力は、ＭＥＭＳジャイロスコープの共振質量が角運動を被るときに生じる。

いくつかの実施形態は、ＭＥＭＳジャイロスコープに関連して使用するための感度増幅器を対象とする。感度増幅器は、角運動に応答してジャイロスコープによって生成されるジャイロスコープ信号のレベルを、角速度を推測するように構成された処理回路に適切なレベルに変化させるように構成され得る。感度増幅器はさらに、出力信号のＤＣ成分の放電を可能にするＤＣ放電経路を提供し得る。ＤＣ放電経路は、アンチエイリアスフィルタおよび抵抗回路を含み得る。アンチエイリアスフィルタは、抵抗回路を線形領域内に維持するために出力信号をろ波し得る。アンチエイリアスフィルタは、離散周波数サブバンドがブロックされるかまたは少なくとも減衰されるような周波数応答で設計され得る。周波数サブバンドは、ジャイロスコープの共振周波数およびその整数倍数に実質的に整合するように調整され得る。

いくつかの実施形態は、ジャイロスコープおよび感度増幅器を含むＭＥＭＳ装置を対象とする。感度増幅器は、ジャイロスコープに連結された入力端子、および出力端子を有する演算増幅器と、演算増幅器の入力端子および出力端子の間に連結されたフィードバック回路とを含み、フィードバック回路はアンチエイリアスフィルタおよび抵抗回路を含み得る。

いくつかの実施形態は、ＭＥＭＳジャイロスコープを使用して角運動を検知するための方法を対象とする。方法は、共振周波数を有するＭＥＭＳジャイロスコープの角運動に応答して、角運動の速度を表すジャイロスコープ信号を生成することと、ジャイロスコープ信号を演算増幅器の入力端子に提供することと、演算増幅器の入力端子および演算増幅器の出力端子の間に連結されたフィードバック回路を使用して、ジャイロスコープ信号に基づき出力信号を生成することと、演算増幅器の入力端子および演算増幅器の出力端子の間に連結されたフィルタを使用して、出力信号を共振周波数で減衰させることと、を含み得る。

いくつかの実施形態はＭＥＭＳ装置を対象とする。ＭＥＭＳ装置は、ジャイロスコープと、ジャイロスコープに連結された入力端子、および出力端子を有する演算増幅器と、演算増幅器の入力端子および出力端子の間に連結され、低域周波数応答を呈する第１のフィードバック回路と、第１のフィードバック回路と並列に連結され、高域周波数応答を呈する第２のフィードバック回路と、を含み得る。

本出願の様々な態様および実施形態を以下の図を参照して説明する。図面は必ずしも縮尺通りに描かれてはいないことを理解されたい。複数の図面に現れるアイテムは、それらが現れる全ての図面において同じ参照番号によって示される。

図１Ａは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、ＭＥＭＳジャイロスコープを示すブロック図である。 図１Ｂは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、ＭＥＭＳジャイロスコープの周波数応答の例を示すプロット図である。 図２は、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、例示的なＭＥＭＳジャイロスコープの概略図である。 図３Ａは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、ジャイロスコープおよび感度増幅器を含む例示的なＭＥＭＳ装置のブロック図である。 図３Ｂは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、ジャイロスコープ信号スペクトルの例を示すプロット図である。 図３Ｃは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、ＭＥＭＳジャイロスコープを使用して角運動を感知するための方法の例を示すフローチャートである。 図４Ａは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、低域フィルタを含む図３Ａの感度増幅器のための可能な実施を示すブロック図である。 図４Ｂは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、図４Ａの低域フィルタの例示的な周波数応答を示すプロット図である。 図５Ａは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、アンチエイリアスフィルタを含む図３Ａの感度増幅器のための別の可能な実施を示すブロック図である。 図５Ｂは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、図５Ａのアンチエイリアスフィルタを使用したときに生じ得る複数のブロックのサブバンドを示すプロット図である。 図５Ｃは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、図５Ａのアンチエイリアスフィルタの周波数応答の例を示すプロット図である。 図６Ａは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、有限インパルス応答フィルタを伴い実施されたアンチエイリアスフィルタを示すブロック図である。 図６Ｂは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、図６Ａのアンチエイリアスフィルタに関連して使用され得る制御信号を示すプロット図である。 図７Ａは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、無限インパルス応答フィルタを伴い実施されたアンチエイリアスフィルタを示すブロック図である。 図７Ｂは、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、図７Ａのアンチエイリアスフィルタに関連して使用され得る制御信号を示すプロット図である。 図８は、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、アンチエイリアスフィルタを有する感度増幅器を示すブロック図である。 図９は、本明細書に記載の技術のいくつかの実施形態に従う、図８の感度増幅器の周波数応答を示すプロット図である。

Ｉ．概要
本発明者らは、ジャイロスコープを使用して角運動が検出される精度は、高感度が重要である用途の要望を満たすにはしばしば低すぎることを認識および理解した。自動車用途における角運動の検出は、例えば、数ミリ度／秒以下の低い角速度を検出できるような感度を要求することが多い。本発明者らは、十分に正確な角速度の測定を提供する際の制限因子が、ジャイロスコープ信号を増強するために使用される感度増幅器の乏しい性能に起因することが多いことを認識および理解した。感度増幅器は、角運動に応答してジャイロスコープによって生成される信号を増強するために、ジャイロスコープに関連して一般に使用される。残念ながら、従来の感度増幅器は、乏しいノイズ除去能力および／または非線形応答に苛まれている。非線形性およびノイズは、特に角運動が生じる速度が低いとき、角運動を正確に検出する回路の能力を決定的に損なう。

とりわけ、本発明者らは、感度増幅器の乏しいノイズ除去および線形特性が、感度増幅器の直流（ＤＣ）放電経路において生じることを認識および理解した。ＤＣ放電経路は、感度増幅器が線形領域で動作することを保証すべく、すなわち、感度増幅器の飽和を防止すべく、感度増幅器をバイアスするＤＣ信号を制限するために使用される。いくつかの感度増幅器は、放電経路として抵抗器を使用する。ＤＣ信号を放電する抵抗器の能力を増強するために、高抵抗抵抗器（例えば、１ＧΩ）が典型的に使用される。残念ながら、このような大きな抵抗は、熱雑音を増強し、チップ上の大領域を占有する。他の感度増幅器は、これらの大きな抵抗器をトランジスタに置き換える。抵抗器と比較すると、しかしながら、トランジスタは、それらが線形に動作する範囲がきわめて限られている。結果として、これらの放電経路は、感度増幅器に非線形性を導入する。

これらの制限を認識し、本発明者らは、ノイズ除去能力および線形特性が従来の実施と比べて改善された、ジャイロスコープのための高感度の感度増幅器を開発した。本発明者らによって開発された感度増幅器は、依然としてＤＣ信号に放電経路を提供しながら、放電経路内で交流（ＡＣ）信号を減衰させるように適合されたフィルタを放電経路内に利用する。

本開示のいくつかの実施形態は、ＤＣ信号成分と比べてＡＣ信号成分を減衰させることによって放電経路内の線形性を促進するように構成された低域フィルタを使用する感度増幅器を対象とする。とりわけ、これらの低域フィルタは、感度増幅器が接続されるジャイロスコープの共振周波数ｆ_Ｓよりも低い遮断周波数（例えば、３ｄＢ周波数）で設計され得る。このようにして、角運動に応答してジャイロスコープによって生成される信号のＡＣ成分は、放電回路が線形動作領域から逸脱することを防止するのに十分に低いレベル（例えば、振幅）に減衰される。これらのフィルタは、本明細書では連続スペクトル低域フィルタと称される。

本開示の他の実施形態は、放電経路内にアンチエイリアスフィルタ（ＡＡＦ）を使用する感度増幅器を対象とする。本明細書に記載のタイプのＡＡＦは、特定の周波数で振動する信号を減衰させる（例えば、その振幅を低減させる）ように構成される。例えば、ＡＡＦは、おおよそ、それが接続されるジャイロスコープの共振周波数ｆ_Ｓで振動する信号を減衰させるか、またはおおよそｎｆ_Ｓ（ここで、ｎ＝１、２、３…）で振動する信号を減衰させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のタイプのＡＡＦは、共振周波数ｆ_Ｓのみ、または共振周波数ｆ_Ｓおよびその整数倍数のみを減衰させるように構成される。すなわち、ＡＡＦは、離散周波数のみ、または離散サブバンドのみを減衰させるように構成される。これらのタイプのＡＡＦは、ＤＣ信号成分と比べてＡＣ信号成分を減衰させることにおいて、低域フィルタとして効果的に動作する。これらのフィルタは、本明細書では低域櫛形フィルタと称される。

連続スペクトル低域フィルタを通してであろうとまたは低域櫛形フィルタ（ＡＡＦ等）を通してであろうと、本発明者らによって開発された感度増幅器は、放電経路に高ノイズ除去能力および高度な線形特性を提供する。

ＩＩ．ＭＥＭＳジャイロスコープの例
図１は、いくつかの実施形態に従う、ジャイロスコープ１００を示すブロック図である。ジャイロスコープ１００は、共振器１０２およびセンサ１０４を含む。共振器１０２は、周期的な駆動信号によって駆動されたとき、周期的に共振するように構成されている。センサ１０４（いくつかの実施形態では加速度計であり得る）は、角速度を検知するように構成されている。したがって、ジャイロスコープ１００が角運動を被ったとき（例えば、ジャイロスコープが軸に対して回転されたとき）、角運動が生じる角速度（例えば、回転速度）はセンサ１０４を使用して感知され得る。

いくつかの実施形態では、ジャイロスコープ１００は、コリオリの効果から生じる加速度を検出することによって角速度を感知するように構成される。コリオリの効果、したがってコリオリの力は、以下のとき生じる。１）共振器１０２が共振する、および２）ジャイロスコープが角運動を被る。これらの状況では、センサ１０４は、コリオリの効果から生じる加速度を検出し得る。角運動に伴う角速度は、例えば、センサ１０４に連結された感知回路（図１Ａでは図示せず）を使用することによって、加速度から推測され得る。

いくつかの実施形態では、ジャイロスコープ１００の周波数応答は、共振器１０２および／またはセンサ１０４の物理的特性（例えば、センサが作製される形状または材料もしくは材料群）に少なくとも部分的に依存する。いくつかの実施形態では、ジャイロスコープ１００は、共振を呈する周波数応答を有し、その結果、ジャイロスコープの応答のスペクトルは、共振において（局所的または大域的な）ピークを有し得る。図１Ｂは、いくつかの実施形態に従う、ジャイロスコープ１００の周波数応答の例を示すプロット図である。図示されるように、周波数応答１１４は、共振周波数ｆ_Ｓでピークを呈する。共振応答を有するので、角運動に対する応答の大きさは、駆動信号の周波数をジャイロスコープのピーク周波数に整合させることによって増強され得る。

共振器１０２およびセンサ１０４は、任意の適切な方法で構成され得る。いくつかの実施形態では、共振器１０２は質量を含み、センサ１０４は別個の質量を含む。他の実施形態では、共振器１０２およびセンサ１０４は同じ質量を共有する。

いくつかの実施形態に従う、ジャイロスコープ１００の一実施例を図２に示す。この例では、ジャイロスコープ２００は、ｘ軸に平行な方向に共振し、ｙ軸に平行な方向でコリオリの力を検出するように構成されている。しかしながら、本明細書に記載のタイプのジャイロスコープは、任意の特定の方向の共振または検出に限定されないことを理解されたい。ジャイロスコープ２００は、（アンカ２１４を介して下層基板に固定された）静止フレーム２１０と、試験質量２０２と、固定電極２２０とを含む。試験質量２０２は、静止フレーム２１０にカプラ２１２を介して弾性的に連結されている。カプラ２１２は弾性であり得、したがって、静止フレーム２１０に対する試験質量２０２の動きを可能にする。この例では、試験質量２０２が共振器１０２の役割を果たす。したがって、試験質量２０２に連結された１つ以上の電極（図２では図示せず）に駆動信号が印加されると、試験質量２０２はｘ軸に沿って前後に振動し、振動の周期は駆動信号の周波数によって決定される（例えば、それに等しい）。

試験質量２０２は複数の自由端ビーム２２２を含み、それらが、それぞれの固定電極２２０と共に複数の感知コンデンサを形成する。感知コンデンサは、感知コンデンサの静電容量が試験質量の加速度に依存するように、ｙ軸に沿った試験質量の動きを検知し得る。したがって、自由端ビーム２２２および固定電極２２０は一緒にセンサ２０４を形成し、それがセンサ１０４の役割を果たし得る。

ジャイロスコープ２００がｘ軸の周りの角運動を被り、試験質量２０２がｘ軸に沿って振動するように駆動されたとき、ｙ軸に沿ったコリオリの力が生じ、試験質量はｙ軸に沿って動く。センサ２０４を使用して試験質量２０２のｙ軸に沿った加速度を検出することにより、角速度を推測できる。

センサ１０４（図２の例ではセンサ２０４）を使用するジャイロスコープの角運動に応答して生成される信号は、本明細書では「ジャイロスコープ信号」と称される。センサ１０４が静電容量型センサ（自由端ビーム２２２および固定電極２２０によって形成されるコンデンサなど）を含む実施形態のうちの少なくともいくつかでは、ジャイロスコープ信号は電流である。これらの実施形態では、実際、コンデンサの静電容量の変化が、その電極間の離間の変化に起因して生じるとき、静電容量の変化に従って変化する電流が結果として生じ得る。

ＩＩＩ．感度増幅器
ジャイロスコープ信号から角速度を推測するために、ジャイロスコープ信号のさらなる処理がしばしば必要とされる。処理は、アナログおよび／またはデジタルドメインで行われてもよく、アナログ−デジタル変換を含む様々な動作を伴ってもよい。残念ながら、ジャイロスコープ信号は、処理回路のためには振幅において弱すぎることが多い。ある特定のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）は、例えば、ある値を上回る入力電圧を必要とし得、そうでなければ、ほとんどの場合でノイズをサンプリングする。ジャイロスコープ信号のレベルを処理に適切なレベルに適合させるため、いくつかの実施形態では感度増幅器が使用される。

図３Ａは、いくつかの実施形態に従う、ジャイロスコープ１００および感度増幅器３０２を含むＭＥＭＳ装置３００を示すブロック図である。ジャイロスコープ１００は、１つ、２つ、または３つの軸の周りの角運動を検出するように構成されてもよく、図２に示すようなものも含め、任意の適切な方法で実施されてもよい。感度増幅器３０２は演算増幅器（ＯＡ）３０６と、ＡＣフィードバック回路３０８と、ＤＣフィードバック回路３１０とを含む。角運動に応答し、ジャイロスコープ１００は、ジャイロスコープ信号を出力し得る。いくつかの実施形態では、ジャイロスコープ信号は、共振周波数ｆ_Ｓ周辺で変調され得る（例えば、ｆ_Ｓに等しいまたは実質的に等しい搬送周波数で変調され得る）。図３Ｂは、いくつかの実施形態に従う、ジャイロスコープ信号の例示的なスペクトルを示すプロット図である。この例では、共振周波数ｆ_Ｓにおけるジャイロスコープ信号の振幅は、ｆ_Ｓの整数倍数におけるそれよりも実質的に大きい。しかしながら、ｆ_Ｓの整数倍数におけるジャイロスコープ信号の振幅が図３Ｂに示すよりも大きいことがあり得るので、全ての実施形態がこの点で限定されるわけでないことを理解されたい。ジャイロスコープ信号の高調波の相対振幅は、例えば、角運動の速度、信号駆動共振器１０２のスペクトル、またはジャイロスコープ１００の形状を含む、様々なパラメータに依存し得る。

図３Ａに戻って参照すると、ＯＡ３０６は、適切な方法で実施され得る。ＯＡ３０６は、０ｄＢを超える、１０ｄＢを超える、２０ｄＢを超える、３０ｄＢを超える、４０ｄＢを超える、５０ｄＢを超える、または任意の他の適切な値を超える、オープンループ電圧−電圧利得（Ａ_Ｖ）を有し得る。ＯＡ３０６は、金属−オキシド−半導体（ＭＯＳ）トランジスタまたは任意の他の適切なタイプのトランジスタを含み得る。ＯＡ３０６は、（図３Ａに示されるような）差動または単端の入力段と、差動または（図３Ａに示されるような）単端の出力段とを有し得る。ＯＡの「＋」入力端子は、図に示すように、基準電位（例えば、接地）に直接または他の回路構成要素を介して接続され得る。ＤＣフィードバック回路３１０およびＡＣフィードバック回路３０８は、ＯＡ３０６の出力端子と、入力端子（「−」入力端子など）との間に連結され得る。「−」入力端子に連結されるとき、ＤＣフィードバック回路３１０およびＡＣフィードバック回路３０８は負のフィードバックを提供する。

出力端子に存在する信号は、本明細書では出力信号と称される。出力信号は、ジャイロスコープ信号の変化を反映し得るが、以下の処理回路に適切なレベルを有する。ジャイロスコープ信号が電流である実施形態では、感度増幅器３０２は、出力信号が電圧である電流−電圧変換器の役割を果たし得る。いくつかの実施形態では、感度増幅器３０２は、１ｋΩ^−１１００ＧΩ〜^−１、１０ｋΩ^−１１００ＧΩ〜^−１、１００ｋΩ^−１〜１００ＧΩ^−１、１ＭΩ^−１〜１００ＧΩ^−１、１０ＭΩ^−１〜１００ＧΩ^−１、１００ＭΩ^−１〜１００ＧΩ^−１、１ＧΩ^−１〜１００ＧΩ^−１、または１０ＧΩ^−１〜１００ＧΩ^−１のトランス伝導性利得（ｇ_Ｍ）を呈する。

ＡＣフィードバック回路３０８は、所望の入出力移送特性を提供するように構成され得る。例えば、所望の特性が電流−電圧変換が提供されるようなものである実施形態では、または他の状況では、ＡＣフィードバック回路３０８は、ＯＡ３０６の出力端子からＯＡ３０６の入力端子まで高域経路を提供するように適合され得る。そのため、ＡＣフィードバック回路３０８は高域周波数応答を呈し得る。所望の高域周波数応答を達成するために、ＡＣフィードバック回路３０８は、ＤＣ成分をブロックするように構成され得る。一例では、ＡＣフィードバック回路３０８は、無効回路（すなわち、非ゼロリアクタンスを有する回路）で実施され得る。いくつかの実施形態では、無効回路は１つ以上のコンデンサを含み得る。

ＤＣフィードバック回路３１０は、ＯＡ３０６の出力および入力端子の間の出力信号のＤＣ成分（および／または他の低周波数成分）に放電経路を提供するように構成され得る。このようにＤＣ成分（および／または他の低周波数成分）を放電すると、ＯＡ３０６が飽和に達する可能性を低減し得る。ＤＣ成分（および／または他の低周波数成分）の通過を可能にするために、ＤＣフィードバック回路３１０は低域周波数特性を提供するように構成され得る。

図３Ｃは、いくつかの実施形態に従う、共振周波数を呈する周波数応答を有するＭＥＭＳジャイロスコープを使用して角運動を検知するための方法の例を示すフローチャートである。方法３５０は、ＭＥＭＳジャイロスコープの角運動に応答して、角運動の速度を表すジャイロスコープ信号が生成される、動作３５２から開始する。ジャイロスコープ信号は、例えばジャイロスコープのセンサが静電容量型のものである場合、いくつかの実施形態では電流であり得る。

動作３５４で、ジャイロスコープ信号は、ジャイロスコープに連結された演算増幅器の入力に提供され得る。

動作３５６において、演算増幅器の入力端子と演算増幅器の出力端子との間に連結されたフィードバック回路を使用して、ジャイロスコープ信号に基づいて出力信号を生成し得る。例えば、フィードバック回路は、演算増幅器およびフィードバック回路が一緒に、電流−電圧変換を提供するように構成され得る。そのような状況では、出力信号は電圧である。

動作３５８では、演算増幅器の入力端子と演算増幅器の出力端子との間に連結されたフィルタを使用して、出力信号のＤＣ成分（および／または他の低周波数成分）を放電して、演算増幅器の飽和の可能性を防止するか、またはそうでなければ低減し得る。いくつかの実施形態では、フィルタは、実質的にジャイロスコープの共振周波数で、および任意選択で、共振周波数の整数倍数で出力信号を減衰させ得る。いくつかの実施形態では、フィルタは、共振周波数のみで（および任意選択で、振周波数の整数倍数のみで）、または共振周波数およびその整数倍数の周波数サブバンドのみで、出力信号を減衰させ得る。

動作３６０で、出力信号を使用して、角運動の速度（角速度）を推測し得る。演算増幅器の出力に連結された処理回路が、その目的のために使用され得る。

いくつかの実施形態では、ＤＣフィードバック回路３１０は、連続スペクトル低域フィルタを使用して実施される。いくつかの実施形態に従う、１つのそのような実施を図４Ａに示す。図４Ａの例では、コンデンサ４０８はＡＣフィードバック回路３０８の役割を果たし、能動負荷４１０および低域フィルタ（ＬＰＦ）４１２は一緒にＤＣフィードバック回路３１０の役割を果たす。この場合、ジャイロスコープ信号は（「ｉ_ｇ」と標識された）電流であり、コンデンサ４１４はＯＡ３０６の入力端子「−」に配置されている。コンデンサ４１４および４０８ならびにＯＡ３０６は一緒に、ｉ_ｇを出力端子の電圧（「Ｖ_ｏｕｔ」）に変換するように構成され得る。コンデンサであるので、コンデンサ４０８は、ＤＣ成分（および任意選択で他の低周波数成分）をブロックして、高域周波数応答を提供するように構成される。

能動負荷４１０およびＬＰＦ４１２は、Ｖ_ｏｕｔのＤＣ成分の通過を可能にして、ＤＣ成分が接地に放電されることを可能にするように構成され得る。能動負荷４１０は、抵抗回路（すなわち、実質的に抵抗応答を提供する回路）として構成される、１つ以上のトランジスタなどの、１つ以上の能動回路構成要素を含み得る。能動回路はチップスペース使用およびノイズを制限するために実際の抵抗器の代わりに使用され得る。ＬＰＦ４１２は、出力信号を、能動負荷４１０の能動構成要素が実質的に線形領域で動作する程度にろ波し得る。いくつかの実施形態では、図４Ｂに示すように、ＬＰＦ４１２は、フィルタの遮断周波数（例えば、３ｄＢ周波数ｆ_３ｄＢ）が共振周波数ｆ_Ｓ未満である連続低域応答を呈し得る。このようにして、出力信号のＡＣ成分はブロックされるが、ＤＣ成分は通過できる。結果として、能動負荷４１０は、線形領域にとどまりながら、ＤＣ放電経路を提供する。

この実施は、共振周波数ｆ_Ｓが少なくとも１ＭＨｚである環境で実用的であり得る。キロヘルツ範囲内の共振周波数は、しかしながら、フィルタの遮断周波数の低減につながり、これは、フィルタの設計をより困難にすることになる。上記困難を取り除くため、本発明者らは、特定の離散周波数または周波数サブバンドを減衰させるように構成されたＡＡＦを含むＤＣフィードバック回路を開発した。ＡＡＦによって減衰される周波数は、ジャイロスコープの共振周波数およびその整数倍数に実質的に整合するように調整され得る。その結果、これらのタイプのＡＡＦは、ＡＣ成分をｎＦ_Ｓ（ここで、ｎ＝１、２、３…）でブロックしながら、ＤＣ成分の通過を可能にする。この点において、本明細書に記載のタイプのＡＡＦは低域櫛形フィルタとも称される。図５は、抵抗回路５０２およびアンチエイリアスフィルタ５０４を有するＤＣフィードバック回路３１０を示すブロック図である。抵抗回路５０２は、能動負荷４１０に関連して説明されたように実施され得るが、実際の抵抗器が追加的にまたは代替的に使用され得る。図５Ｂは、いくつかの実施形態に従う、ＡＡＦ５０４の可能なスペクトル特性を示すプロット図である。この例では、ＡＡＦ５０４は櫛形フィルタとして構成されている。示されるように、ＡＡＦ５０４は、離散周波数サブバンド５１０_１、５１０_２…５１０_ｎを（例えば、２０ｄＢを超えて）ブロックまたは少なくとも減衰し得、ここで、サブバンド５１０_１はｆ_Ｓと重複し、サブバンド５１０_２は２ｆ_Ｓと重複し、およびサブバンド５１０_ｎはｎｆ_Ｓと重複する。ＤＣ成分を含む、これらのサブバンドの外側の周波数バンドは、比較的低い減衰（例えば、３ｄＢ未満）でＡＡＦ５０４を通過することが可能となる。ＡＡＦ５０４が実施されて呈し得る周波数応答の１つの特定の例を図５Ｃのプロット図に示す。とりわけ、図５Ｃは、いくつかの実施形態に従う、振幅周波数応答の例を示すプロット図である。示されるように、周波数応答５２０は、周波数ｎｆ_Ｓで生じる複数のゼロを呈する。このようにして、ＡＡＦ５０４を通過し、周波数ｎｆ_Ｓにスペクトル成分を有する信号はこれらの周波数でブロックされる。周波数応答５２０は、いくつかの実施形態では、同期関数として成形されてもよいが、他の関数も可能である。

ＡＡＦ５０４は、例えば有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタまたは無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタを使用することを含め、任意の適切な方法で実施され得る。いくつかの実施形態に従う、ＡＡＦ５０４として使用され得るＦＩＲフィルタの例を図６Ａに示す。ＦＩＲフィルタ６００は、演算増幅器（ＯＡ）６０２、サンプルおよびホールド（Ｓ／Ｈ）回路６０４、スイッチＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３およびＳ_Ｓ／Ｈ、ならびにコンデンサＣ_１およびＣ_２を含む。ＯＡ６０２は、例えば、０ｄＢを超える、１０ｄＢを超える、２０ｄＢを超える、３０ｄＢを超える、４０ｄＢを超える、５０ｄＢを超える、または任意の適切な値を超える、オープンループ電圧−電圧利得（Ａ_Ｖ）を有する演算増幅器を含む、任意の適切な演算増幅器を使用して実施され得る。スイッチＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３およびＳ_Ｓ／Ｈは、対応する駆動信号の値に応じてそれらの端子間に、（ＯＦＦ状態では）高インピーダンスまたは（ＯＮ状態では）低インピーダンスを提供するように設計され得る。一例では、スイッチは、トランジスタとして実施されるが、他の構成も可能である。Ｓ／Ｈ回路６０４は、ＯＡ６０２の出力を（スイッチＳ_Ｓ／Ｈに基づいて）サンプリングし、サンプリングされた値を保持するように構成され得る。入力電圧Ｖ_１は、図３Ａに示される出力信号に等しくし得る（または少なくともそこから誘導し得る）。出力電圧Ｖ_２は、図５Ａに示される抵抗回路５０２に提供され得る。

少なくともいくつかの実施形態でスイッチＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３およびＳ_Ｓ／Ｈが制御されるタイミングを図６Ｂに示す。制御回路（図６Ａでは図示せず）が、スイッチの状態を制御するために使用され得る。図６Ｂのプロット図では、制御信号Ｓ_１がスイッチＳ_１を制御し、制御信号Ｓ_２がスイッチＳ_２を制御し、制御信号Ｓ_３がスイッチＳ_３を制御し、そして制御信号Ｓ_Ｓ／ＨがスイッチＳ_Ｓ／Ｈを制御する。制御信号が高である（すなわち、高値を有する）とき、対応するスイッチはＯＮ状態であり、制御信号が低である（すなわち／２７３３＞、低値を有する）とき、対応するスイッチはＯＦＦ状態である。他の実施形態では、反対の論理も実施され得る。いくつかの実施形態では、制御信号Ｓ_１およびＳ_２は、１／ｆ_Ｓに等しい周期で変わり得る。いくつかの実施形態では、制御信号Ｓ_１およびＳ_２は、反対の位相（例えば、π位相差）を有する。

制御信号Ｓ_１が高のとき、第１のスイッチＳ_１、コンデンサＣ_１および第２のスイッチＳ_１を通して経路が形成され得る。この期間中、電圧Ｖ_ｉｎはコンデンサＣ_１を充電する。制御信号Ｓ_２が高のとき、コンデンサＣ_１およびコンデンサＣ_２を通して経路が形成される。その結果、コンデンサＣ_１の電荷の少なくとも一部が、コンデンサＣ_２に移送される。制御信号Ｓ_Ｓ／Ｈは、制御信号Ｓ_２のＭサイクル毎に１回、高になり得る。スイッチＳ_Ｓ／Ｈでのサンプリング動作のあと、コンデンサＣ_２の電荷はスイッチＳ_３を使用してリセットされ得る。図６Ｂに示されるように（または同等の制御信号で）制御されるとき、ＦＩＲフィルタ６００は図５Ｂおよび／または図５Ｃのものと同様の周波数応答を有し得る。ここで、ＮはＭ／２に等しい。

いくつかの実施形態に従う、ＩＩＲフィルタを使用するＡＡＦ５０４の可能な実施を図７Ａに示す。図６ＡのＦＩＲとは異なり、ＩＩＲフィルタ７００は、受動回路（すなわち、演算増幅器を含まない）であるので、チップ上のスペース使用を実質的に低減する。当然ながら、ＡＡＦ５０４に使用される全てのＩＩＲが受動回路に限定されるわけではない。ＩＩＲフィルタ７００は、抵抗器Ｒ、コンデンサＣ_ｉｎ、Ｃ_ｉおよびＣ_ｏ、ならびにスイッチＳ_１１、Ｓ_１２、Ｓ_１３、Ｓ_１４およびｄを含む。コンデンサＣ_ｉの静電容量は互いに等しくてもよく、または異なってもよい（例えば、次第により大きくなる）。各スイッチＳはそれぞれのコンデンサＣ_ｉに連結されている。したがって、コンデンサＣ_ｉは切り替えコンデンサと称される。４つの切り替えコンデンサが図７Ａに示されているが、ＩＩＲフィルタ７００は、任意の特定の数の切り替えコンデンサに限定されないことを理解されたい。

図７Ｂは、いくつかの実施形態に従う、ＩＩＲフィルタ７００のスイッチを駆動するために使用される制御信号を示すプロット図である。制御回路（図７Ａでは図示せず）が、スイッチの状態を制御するために使用され得る。制御信号Ｓ_１１が高のとき、スイッチＳ_１と関連付けられたコンデンサが充電され、制御信号Ｓ_１２が高のとき、スイッチＳ_２と関連付けられたコンデンサが充電されるなどとなる。図７Ｂに示されるように、切り替えコンデンサは異なる時間に充電される。１つの特定の例では、制御信号は２π／Ｍだけ互いに位相シフトされ、ここで、Ｍは切り替えコンデンサの数である。すなわち、制御信号Ｓ_１１は制御信号Ｓ_１２に対して２π／Ｍだけ位相シフトされ、制御信号Ｓ_１２は制御信号Ｓ_１３に対して２π／Ｍだけ位相シフトされるなどである。一旦すべての切り替えコンデンサ（または少なくともそれらの一部）が充電されると、電荷は、出力コンデンサＣ_ｏにスイッチｄを介して移送される。図７Ｂの制御信号の周期は、１／ｆ_Ｓに等しくし得る（または少なくともそこから誘導され得る）。図７Ｂに示されるように（または同等の制御信号で）制御されるとき、ＩＩＲフィルタ７００は図５Ｂおよび／または図５Ｃのものと同様の周波数応答を有し得る。

図８は、いくつかの実施形態に従う、ＡＡＦの役割を果たすＩＩＲフィルタを有する感度増幅器の例を示すブロック図である。この例では、コンデンサＣ_ＡＣはＡＣフィードバック回路３０８（図３Ａ参照）の役割を果たし、抵抗器Ｒ_２は抵抗回路５０２（図５Ａ参照）の役割を果たし、そしてコンデンサＣ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_ｏならびにスイッチＳ_１１、Ｓ_１２およびｄは一緒にＡＡＦ５０４の役割を果たす。抵抗器Ｒ_２は実際の抵抗器として、または能動負荷として実施され得る。コンデンサＣ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_０ならびにスイッチＳ_１１、Ｓ_１２およびｄは、図７Ａ〜７Ｂに関連して説明されたように一緒に動作し得、ここで、Ｍ＝２である（ただし、任意の他の適切な数Ｍの切り替えコンデンサを使用してもよい）。上述したように、切り替えコンデンサＳ_１１およびＳ_１２は位相差πで充電され得、スイッチｄを使用して電荷をコンデンサＣ_ｏに移送し得る。このようにして、コンデンサＣ_１１およびＣ_１２内の電荷のＡＣ成分は異位相で合成され、したがって、ｆ_Ｓの整数倍数でＲ_２に提供されるＡＣ成分を抑制する。加えて、コンデンサＣ_１１およびＣ_１２内の電荷のＤＣ成分は同位相で合成され、したがって、ＤＣ成分がＲ_２に移送されることを可能にする。

図９は、本明細書に記載のタイプのＡＡＦの出力のスペクトル（９０４）の例を示すプロット図である（例えば、図８の信号Ｖ_ｆｄ）。この特定の例では、ｆ_Ｓ＝７０ＫＨｚである。図示されたように、ＡＡＦの出力は、ｆ_Ｓおよびその整数倍数で低下を呈する。このようにして、ＤＣ成分を含む、スペクトルの低周波数部分のみが抵抗回路（例えば、抵抗器Ｒ_２）に移送され、したがって、ＤＣ放電経路を提供する。

ＩＶ． 結論
本明細書に記載の技術の態様は１つ以上の利点を提供し得、それらのいくつかは上述されている。そのような利点のいくつかの非限定的な例をここに記載する。必ずしもすべての態様および実施形態が、ここに記載される利点の全てを提供するわけではないことを理解されたい。さらに、本明細書に記載の技術の態様は、ここに記載されるものにさらなる利点を提供し得ることを理解されたい。

本明細書に記載の技術の態様は、角速度を正確に検出するという回路の能力を損なうことなく、ＤＣ放電経路を提供するＭＥＭＳジャイロスコープに関連して使用するための感度増幅器を提供する。実際には、従来の実施とは異なり、本明細書に記載の感度増幅器は、熱雑音、チップ上のスペース使用を制限しつつ、かつＤＣ放電経路内の非線形性を退けつつ、ＤＣ放電経路を提供する。

「おおよそ」、「実質的に」、および「約」なる用語は、いくつかの実施形態では標的値の±２０％以内、いくつかの実施形態では標的値の±１０％以内、いくつかの実施形態では標的値の±５％以内、およびいくつかの実施形態では標的値の±２％以内を意味する。「おおよそ」および「約」なる用語は標的値を含み得る。

本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、１つ以上の要素のリストに関して、「少なくとも１つ」なる表現は、要素リスト内のいずれか１つ以上の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、要素リスト内に具体的に列挙されたあらゆる要素の少なくとも１つを必ずしも含むわけではないし、要素リスト内の任意の要素の組み合わせを排除することもないことを理解されるべきである。この定義はまた、「少なくとも１つ」なる表現が指す、要素リスト内で具体的に特定される要素以外に、具体的に特定されたこれらの要素に関連であろうと未関連であろうと、要素が存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または、同等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または、同等に、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂは不在である（そして任意選択でＢ以外の要素を含む）とすると、任意選択で１つを超える、少なくとも１つのＡを指し得、別の実施形態では、Ａは不在である（そして任意選択でＡ以外の要素を含む）とすると、任意選択で１つを超える、少なくとも１つのＢを指し得、さらに別の実施形態では、任意選択で１つを超える、少なくとも１つのＡと、任意選択で１つを超える、少なくとも１つのＢとを指し得る（そして任意選択で他の要素を含む）などである。

本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、「および／または」なる表現は、そのように連結された要素、すなわち、いくつかの場合では連接的に、他の場合では非連接的に存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味すると理解されたい。「および／または」と共に列挙される複数の要素は、同様に、すなわち、そのように連結された「１つ以上」の要素と解釈されるべきである。および／または」節によって具体的に特定される要素以外に、具体的に特定されたそれらの要素に関連であろうと未関連であろうと、他の要素も任意選択で存在し得る。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」と言うのは、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などのオープンエンド表現と併せて使用された場合、一実施形態では、Ａのみ（任意選択でＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、Ｂのみ（任意選択でＡ以外の要素を含む）を指し、そしてさらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（任意選択で他の要素を含む）を指す。

１００ ジャイロスコープ
１０２ 共振器
１０２ 信号駆動共振器
１０４ センサ
１１４ 周波数応答
２００ ジャイロスコープ
２０２ 試験質量
２０４ センサ
２１０ 静止フレーム
２１２ カプラ
２１４ アンカ
２２０ 固定電極
２２２ 自由端ビーム
３００ 装置
３０２ 感度増幅器
３０６ 演算増幅器（ＯＡ）
３０８ フィードバック回路
３１０ フィードバック回路
４０８ コンデンサ
４１０ 能動負荷
４１４ コンデンサ
５０２ 抵抗回路
５２０ 周波数応答
６００ フィルタ
７００ フィルタ

Claims (20)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置であって、
   ジャイロスコープと、
   感度増幅器と、
   を含み、感度増幅器は、
   前記ジャイロスコープに連結された入力端子、および出力端子を有する演算増幅器と、
   前記演算増幅器の前記入力端子および前記出力端子の間に連結され、アンチエイリアスフィルタおよび抵抗回路を含む、フィードバック回路と、
   を含む、ＭＥＭＳ装置。
2. 前記アンチエイリアスフィルタが、１つ以上の切り替えコンデンサを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
3. 前記フィードバック回路が櫛形フィルタとして構成されるように、前記１つ以上の切り替えコンデンサを制御するように構成された制御回路をさらに含む、請求項２に記載のＭＥＭＳ装置。
4. 前記アンチエイリアスフィルタが、前記ジャイロスコープの共振周波数で振動する信号を減衰させるように構成されている、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
5. 前記アンチエイリアスフィルタがさらに、前記共振周波数の１つ以上の整数倍数で振動する信号を減衰させるように構成されている、請求項４に記載のＭＥＭＳ装置。
6. 前記感度増幅器が、前記フィードバック回路と並列に連結された無効回路をさらに含み、前記無効回路が高域周波数応答を呈する、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
7. 前記無効回路がコンデンサを含む、請求項６に記載のＭＥＭＳ装置。
8. 前記抵抗回路が能動負荷を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
9. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープを使用して角運動を検知するための方法であって、
   共振周波数を有する前記ＭＥＭＳジャイロスコープの角運動に応答して、前記角運動の速度を表すジャイロスコープ信号を生成することと、
   前記ジャイロスコープ信号を演算増幅器の入力端子に提供することと、
   前記演算増幅器の前記入力端子と前記演算増幅器の出力端子との間に連結されたフィードバック回路を使用することによって、前記ジャイロスコープ信号に基づいて出力信号を生成することと、
   前記演算増幅器の前記入力端子と前記演算増幅器の前記出力端子との間に連結されたフィルタを使用することによって、前記出力信号を前記共振周波数で減衰させることと、
   を含む方法。
10. 前記減衰が、
    前記出力信号をアンチエイリアスフィルタでろ波することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記出力信号を前記アンチエイリアスフィルタでろ波することが、互いに対して異位相の複数の切り替えコンデンサを充電することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記互いに対して異位相の複数の切り替えコンデンサを充電することが、Ｍを前記複数の切り替えコンデンサの数とすると、２π／Ｍによって与えられる位相差で前記複数の切り替えコンデンサを充電することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記出力信号を前記アンチエイリアスフィルタでろ波することが、前記共振周波数に実質的に等しい速度で前記複数の切り替えコンデンサを充電することを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記出力信号を前記共振周波数の倍数で減衰させることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記ジャイロスコープ信号は電流信号であり、前記出力信号は電圧信号であり、前記ジャイロスコープ信号に基づいて前記出力信号を生成することが、前記電流信号を前記電圧信号に変換することを含む、請求項９に記載の方法。
16. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置であって、
    ジャイロスコープと、
    前記ジャイロスコープに連結された入力端子、および出力端子を有する演算増幅器と、
    前記演算増幅器の前記入力端子および前記出力端子の間に連結され、低域周波数応答を呈する第１のフィードバック回路と、
    前記第１のフィードバック回路と並列に連結され、高域周波数応答を呈する第２のフィードバック回路と、
    を含むＭＥＭＳ装置。
17. 前記第１のフィードバック回路が、アンチエイリアスフィルタを含む、請求項１６に記載のＭＥＭＳ装置。
18. 前記アンチエイリアスフィルタが、複数の切り替えコンデンサを含む、請求項１７に記載のＭＥＭＳ装置。
19. 前記第１のフィードバック回路が、前記アンチエイリアスフィルタと直列に連結された抵抗回路をさらに含む、請求項１７に記載のＭＥＭＳ装置。
20. 前記第２のフィードバック回路が、無効回路を含む、請求項１６に記載のＭＥＭＳ装置。