TW201408991A - 改良的振動陀螺儀 - Google Patents

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Abstract

一種包括微機械陀螺儀的感測裝置，該陀螺儀包括：具有微機械陀螺儀之改良的感測裝置，其中第一機械共振器的共振頻率和第二機械共振器的共振頻率乃調整成基本上重合。該裝置包括連接到第二機械共振器的回饋迴路，而回饋迴路和第二機械共振器之組合的品質因數乃小於10。達成了更正確的感測，而基本上不增加感測器裝置組態的複雜度。

Description

改良的振動陀螺儀
本發明關於微機電裝置，並且特別關於用來感測角速度的感測器裝置和方法，如申請專利範圍獨立項的序言所定義的。
微機電系統(micro-electro-mechcanical system，MEMS)可以定義成迷你的機械和電機系統，其中至少某些元件具有一些機械的功能性。由於MEMS裝置是由用於產生積體電路的相同工具所創造，故微機器和微電子儀器可以製造在同一片矽上而讓機器有智慧。
MEMS結構可以應用於快速、正確的偵測物理性質的極小改變。舉例而言，微機電陀螺儀可以應用於快速、正確的偵測極小的角位移。運動有六個自由度：三個正交方向上的平移和繞著三個正交軸的旋轉。後面三個可以由角速率感測器(也以陀螺儀著稱)來測量。MEMS陀螺儀使用柯氏(Coriolis)效應來測量角速率。當質量正於一方向上移動並且施加了旋轉角速度時，由於柯氏力的關係，質量經歷了正交方向上的力。柯氏力所造成的物理位移然後可以從電容或壓電阻式感測結構所讀出。
於MEMS陀螺儀，傳統的陀螺儀由於缺乏適當軸承的緣故，故主要運動無法是持續的旋轉。反之，可以使用機械振盪做為主要運動。當振盪的陀螺儀受到正交於主要運動方向的角運動時，便造成起伏的柯氏 力。這產生了正交於主要運動和角運動軸的次要振盪，並且是在主要振盪的頻率。這耦合振盪的振幅可以用來測量角速率。
振動陀螺儀的操作原理是柯氏力所造成之主要模式振動與次要模式振動的耦合，而柯氏力是由陀螺儀所附著的本體旋轉而誘發。陀螺儀的操作強烈取決於共振器在主要模式振動的共振頻率(主要頻率)和共振器在次要模式振動的共振頻率(次要頻率)如何相對於彼此來選擇。當頻率分得很開時，雖然陀螺儀對於外部振動較不敏感並且顯示對於環境改變(譬如溫度和時間)有良好的穩定度，但是偵測的振幅比較低。雖然產生的訊號可以做電放大，但是同時也放大了雜訊，所以訊噪比傾向於極低。當頻率比較接近時，柯氏移動被次要共振器的增益所放大，並且達成較佳的訊噪比。然而，此時對於多樣之外部和內部因素的敏感度也增加了。對於許多這些因素來說，敏感度可以藉由將機械結構或電路加入感測裝置而管理。然而，此種安排典型而言導致尺寸增加並且減少裝置的穩健性。
本發明的目的是要能夠以微機電陀螺儀來更正確的感測，而基本上不增加感測器裝置組態的複雜度。本發明的目的是以根據申請專利範圍獨立項之特徵部分的感測器裝置和方法而達成。
本發明的較佳實施例則揭示於申請專利範圍的附屬項。
本發明是基於以下理念：藉由讓主要和次要頻率重合而施加共振增益，以改良從次要共振器所輸出的訊號程度。次要共振器是以極強烈阻尼的回饋迴路來控制。然後可以用最少量的裝置構件來達成對訊號程度的顯著改良。
10、20‧‧‧質量
21‧‧‧活化框架
22‧‧‧支持結構
23~26‧‧‧彈簧
30‧‧‧微機電感測裝置
31‧‧‧微機械陀螺儀
32‧‧‧第一機械共振器
33‧‧‧第二機械共振器
34‧‧‧主要振盪器電路
35‧‧‧放大器
36‧‧‧同步偵測器
50‧‧‧微機電感測裝置
51‧‧‧微機械陀螺儀
52‧‧‧第一機械共振器
53‧‧‧第二機械共振器
54‧‧‧主要振盪器電路
55‧‧‧預先放大器
56‧‧‧同步偵測器
57‧‧‧控制元件
58‧‧‧回饋放大器
60‧‧‧驗證質量
61‧‧‧彈簧元件
63‧‧‧靜止電極
64‧‧‧可移動電極
70‧‧‧驗證質量
71‧‧‧彈簧元件
73‧‧‧靜止電極
74‧‧‧可移動電極
80‧‧‧驗證質量
81‧‧‧彈簧元件
83‧‧‧靜止TR1電極
84‧‧‧可移動TR1電極
85‧‧‧靜止TR2電極
86‧‧‧可移動TR2電極
A‧‧‧預先放大器的放大
Dxx、Dyy‧‧‧阻尼器
fprim‧‧‧主要頻率
fsec‧‧‧次要頻率
Hc‧‧‧轉移函數
Hm‧‧‧機械轉移函數
kxx、kyy‧‧‧彈簧
m‧‧‧質量
R1‧‧‧第一機械共振器
R2‧‧‧第二機械共振器
S1‧‧‧第一電訊號
S2‧‧‧第二電訊號
Ui‧‧‧機械輸入訊號
Un‧‧‧雜訊電壓
Uo‧‧‧輸出電壓
本發明將於以下參考所附圖式而連同較佳實施例來做更詳細的描述，其中：圖1顯示2自由度(degree-of-freedom，DoF)之機械共振器的圖解；圖2示範範例性微機械陀螺儀的組態；圖3示範範例性微機電感測器裝置的組態；圖4顯示範例性機械共振器的範例性振幅和相位轉移函數；圖5顯示的方塊圖示範微機械感測裝置組態的實施例；圖6顯示質量-彈簧系統的簡化範例，其可應用於將位移轉換成電訊號；圖7顯示質量-彈簧系統的另一範例，其可應用於將位移轉換成電訊號；圖8顯示的方塊圖示範範例性第二機械共振器的功能性組態；圖9顯示範例性用於控制器有利的低通轉移函數的範例性振幅圖；圖10顯示範例性用於控制器有利的低通轉移函數的範例性相位圖；圖11顯示範例性回饋迴路的範例性模型化組態。
以下的實施例是範例性的。雖然說明書可能指稱「一」或「某些」實施例，但是這不必然意謂每個此種參照是針對相同的實施例，也不必然意謂特色僅適用於單一實施例。不同實施例的個別特色可加以組合而提供進一步的實施例。
於以下，本發明的特色將於可以實施本發明之多種實施例的 裝置架構之簡單範例來描述。只有與示範實施例所相關的元件才會詳加描述。熟於此技藝者一般所知的感測器裝置和方法的多樣實施例可能不會在此特定的描述。
為了建立所應用的概念和語辭，圖1顯示先前技藝之2個自由度(DoF)的機械共振器之圖解，如先前技藝所示(舉例而言：Mikko Saukoski的「電容式MEMS陀螺儀的系統和電路設計」)。圖1的2-DoF結構包括二個1-DoF共振器，其中一者是由質量10、彈簧kxx、阻尼器DXX而於x軸方向所形成，另一者是由質量10、彈簧kyy、阻尼器Dyy而於y軸方向所形成。於角速度的微機械感測器，x方向的共振器可以稱為主要共振器或驅動共振器。它典型是由在其共振頻率(稱為操作頻率)的外部力所激發。y方向的共振器可以稱為次要共振器或感測共振器。當角速度繞著z軸施加時，對應的柯氏力可以在次要共振器中偵測到。於圖1的功能圖解，主要和次要共振器的質量是相同的。視組態而定，主要共振器和次要共振器的質量也可以是不同的。
圖2示範範例性微機械陀螺儀的組態，其包括質量20，而由彈簧23、24支持在y軸方向的活化框架21。該活化框架21進一步藉由彈簧25、26而支持在x軸方向的支持結構22。於所示範的陀螺儀，中間的質量20和包圍它的活化框架21可以活化成在x軸方向做主要振動運動，此由彈簧25、26所造成。在y軸方向藉由質量20的彈簧懸吊23、24而對活化框架21所形成的偵測軸乃垂直於主要運動。當以主要運動來振動的結構相關於垂直於xy平面之表面的z軸而旋轉時，主要運動中的質量20經歷了y軸方向的柯氏力。偵測彈簧23、24則定義了誘發偵測運動之振動的振幅 和相位。
圖3示範範例性先前技藝之微機電感測裝置30的組態。該裝置包括微機械陀螺儀31，其包括用於驅動模式振動(主要運動)的第一機械共振器32，以及包括第二機械共振器33，其耦合到第一機械共振器以於垂直於驅動模式振動的方向上產生關聯的感測模式振動(次要運動)。驅動模式振動舉例而言可以由主要振盪器電路34和轉換器(未顯示)來實施和控制，該電路產生振盪電訊號，並且轉換器將輸入第一機械共振器32的靜電能轉換成主要共振器中的機械驅動模式振動。
第一機械共振器和第二機械共振器之間的耦合引起第二機械共振器33的感測模式振動，其可以用轉換器(未顯示)而轉換成電訊號。從次要共振器輸出而對應於感測模式振動的電訊號可以由放大器35來放大。圖3之範例性微機械感測器裝置的組態應用了同步偵測，其中來自主要振盪器電路以及放大器的電訊號饋入同步偵測器36，其產生感測器裝置的輸出。當微機械感測器裝置旋轉時，陀螺儀的驅動模式振動經由柯氏力而耦合於感測模式振動，並且從第二機械共振器所接收的電訊號對應於柯氏力，因而對應於裝置的角速度。
陀螺儀的操作乃強烈取決於第一機械共振器的共振頻率fprim(主要頻率)和第二機械共振器的共振頻率fsec(次要頻率)是如何相對於彼此而定位。圖4顯示範例性機械共振器的振幅和相位轉移函數。微機械陀螺儀的主要頻率和次要頻率之間的差異在此稱為△頻率或△f。
於傳統的陀螺儀，已經選擇主要頻率成低於次要頻率，並且△f相當大而在1到2千赫茲的等級。從圖4可以看到當陀螺儀的△f極大 時，主要頻率是在次要共振器轉移函數的平坦部分。當主要和次要頻率變得彼此靠近時，柯氏移動開始被次要共振器的增益所放大。假設次要共振器的品質因數(Q值)夠高，則增益基本上僅取決於△f。當共振頻率彼此夠靠近時，增益開始飽和到由次要共振器之品質因數所決定的數值。
於理想結構，或可藉由單純將主要和次要頻率之間的差異達到最小，而使共振增益完全用於最佳化的敏感度和解析度。然而，真實世界的結構則不是理想的，並且某些非理想性的影響乃相當強烈的取決於△f。
舉例而言，當△f減少時，雖然柯氏移動增加以及共振增益因而增加，但是同時對於△f變化的敏感度也增加。於MEMS陀螺儀，很難製造出主要和次要頻率之間的△f隨著溫度和老化效應而維持完美穩定的結構。雖然可以由感測器裝置中的額外訊號處理電路來提供適當追蹤主要和次要頻率，但是此種複雜的組態傾向於龐大並且減少裝置的穩健性。
也有其他的理由讓傳統上已應用較高數值的△f，儘管已知共振增益會有所損失。擾亂偵測的另一機制是在△f頻率的振動。在偵測軸上之△f的角振動將經由柯氏力而耦合到次要共振器而調變了主要頻率，如此則恰在次要共振頻率發生邊帶(sideband)。這會發生是因為柯氏項包含了主要訊號速度和角速率訊號的乘積。如果來自次要共振器的訊號(次要頻道)是以同步偵測而解調變，則陀螺儀的頻率回應將會在△f頻率出現尖峰。一種避免此點的方式已是將△f設計成盡可能的大並且減少次要共振器的機械品質因數(機械Q值)。自然而言，△f共振可以從感測器輸出過濾掉，前提是△f設計得顯著高於感測器的頻寬。
附帶而言，由於陀螺儀製造上的不完美緣故，將總會有從主要共振器到次要共振器的直接機械耦合。這耦合乃正比於主要運動的振幅，而柯氏力所造成的耦合乃正比於速度。因此，直接機械耦合相較於柯氏訊號乃具有90度相位移而稱為正交(quadrature)訊號。
陀螺儀的零點穩定度乃大大取決於偵測之主要振盪和次要共振器的轉移函數之間的正交訊號程度和相位穩定度。如果次要頻道中有相位改變△φ，則造成之角速率輸出的零點改變為：△Ω=sin(△φ)．QS (1)其中QS是正交訊號，其表示成等效的角速率單位。次要共振器的轉移函數則為： 其中Qm是次要共振器的機械品質因數。頻率已經正規化，如此則次要共振頻率ω0=2πf0=1，並且s是正規化頻率(虛數)。
方程式(2)在主要頻率的相位移乃取決於正規化的主要頻率ω和Qm： 可以根據方程式(1)而影響零點穩定度的相位改變可以由機械Q值的改變或正規化主要頻率的改變所引起。傳統陀螺儀之相位改變的通常原因是次要Q值的溫度相依性，其在溫度範圍中典型為約30%。正規化頻率的改變是由於未追蹤主要共振頻率和次要共振頻率的緣故。這可以是由於譬如靜電效應或機械應力而於任一頻率有過度飄移的緣故。相位改變也可以是由於次 要或主要偵測電路的電構件之頻率回應不穩定性的緣故，其不由方程式(3)所管控。
如果頻率追蹤誤差(正規化之主要頻率的改變)是△ω，則次要頻道中對應之相位誤差△φ與△ω的比例為： 其中ω再次是正規化的主要頻率。對於ω=ω0=1的情況，亦即主要和次要頻率是匹配的(或幾乎匹配的)，則方程式縮減成： 如果主要和次要共振頻率離得很開，則方程式縮減成： 結論就是如果次要頻率極靠近主要頻率，則根據方程式(5)，正規化的主要頻率即使有小改變△ω也將引起極大的相位移。習用而言，頻率因而是分開的，並且頻率分離(1-ω)和機械Q值愈大，相位移誤差就愈小，如方程式(6)所示。然而，Q值無法無限制的增加，因為振動敏感度同時會增加。方程式(6)之比例的範例性實際數字是0.17，其係藉由設定Qm=300和ω=0.9而達成。
圖5顯示的方塊圖示範微機械感測裝置組態的實施例，藉此可以用最少的額外電路來達成改良的功效。已經配合圖3所描述的元件乃標以開頭是5的對應參考數字。除了圖3的組態以外，本微機械感測裝置還包括了回饋迴路，其連接到第二機械共振器並且調整成減緩陀螺儀之次 要共振器的感測模式振動。
為了阻尼，回饋迴路包括轉換器元件(其在第二共振器裡而未顯示)和控制元件57。回饋迴路也可以包括回饋放大器58以將回饋訊號放大到適當程度。
轉換器在此是指將一種形式的能量轉換成另一種的裝置。舉例而言，感測器是偵測物理性質並且將它轉換成可測量之訊號的裝置或系統。典型而言，物理性質將它本身彰顯為某一形式的能量，並且於感測器中由轉換器裝置轉換成另一形式的能量。物理性質和用於偵測能量形式的手段可以根據用途而加以變化。於一類的裝置，代表偵測之物理性質的特徵可以包括偵測或感應出參考點相對於參考慣性框架的位移。舉例而言，位移可以被偵測或感應成懸吊之驗證質量(proof-mass)的移動，或者偵測或感應成施加在連接到載有驗證質量的彈性懸吊之轉換器元件上的應力或應變。偵測到的運動、應力或應變可以用來調變電訊號，這讓物理性質可相當正確的測量。舉另一範例來說，於致動器中，轉換器可以用來將電磁能轉換成某種形式的運動、應力或應變。
本實施例的轉換器可以用質量-彈簧系統來模型化，其中質量懸吊在連到本體的彈簧上，其懸吊的方式使得施加於質量的力或本體的加速度導致質量有成正比的位移。藉由電路，則質量的移動可以被偵測到並且轉變成可測量的電訊號。當本體是靜止的並且無淨力作用在質量上時，質量-彈簧系統是在平衡的狀態。如果系統偏移於平衡，則彈簧在質量上引起淨恢復力，而傾向於將它帶回到平衡。然而，於移動回到平衡位置時，質量獲得動量，其使之保持移動超越該位置，而以相反方式建立新 的恢復力。因此，質量開始對著平衡狀態振盪。質量可加以偏壓，並且其相對於靜止電極的移動則被轉換成電訊號。質量的諧波振盪因而轉變成交流電訊號，其代表本體相對於參考慣性框架的移動。
圖6顯示質量-彈簧系統的簡化範例，其可應用於將位移轉換成電訊號。第二共振器現在由1-DoF系統來代表，其具有驗證質量60和彈簧元件61而耦合到主要共振器(未顯示)。系統可以具有一或更多個錨固於感測器本體的靜止電極63和一或更多個連接到驗證質量60之運動的可移動電極64。用於測量圖6中之位移的轉換器可以是基於電容效應，其中當電極63和64之間的距離改變時，二電極之間的電容便改變。這電容的改變可以用來調變從轉換器所輸出的電訊號。
圖7顯示另一類型的電容轉換器；相同的參考數字用來指稱圖6和7之對應的元件。於圖7的轉換器，電訊號的調變乃對應於電極73和74之重疊面積的改變。雖然圖6和7的轉換器是基於電容效應來測量驗證元件70的位移，但是可以應用其他類型的驗證元件(舉例而言其指出施加在驗證元件上的應變或應力)和其他類型的效應(像是壓電和電磁效應，其將偵測到的物理性質指示轉變為電訊號)。
於主動電阻尼，位移於第一轉換器中產生電訊號，其於回饋迴路中轉換成修改的訊號來控制要施加對抗位移的機械力，以消除或至少減少偵測到的移動。圖8顯示的方塊圖則示範圖5之範例性第二機械共振器53的功能性組態。
圖8的機械共振器包括驗證質量80和彈簧元件81而耦合到主要共振器(未顯示)。系統具有一或更多個靜止TR1電極83和一或更多個 連接到驗證質量80之運動的可移動TR1電極84。這些電極83、84形成電容式位移測量轉換器。系統也具有一或更多個靜止TR2電極85和一或更多個連接到驗證質量80之運動的可移動TR2電極86。這些電極85、86形成產生力的靜電轉換器。
注意圖8示範的轉換器元件乃基於電容和靜電效應，熟於此技藝的每個人明顯知道轉換器可以基於任何已知的轉換器原理。舉例而言，第一轉換器可以組構成基於電容效應、壓電效應、電磁效應或壓電阻效應而藉由運動、應力或應變來偵測位移。第二轉換器可以組構成基於靜電效應、壓電效應、電磁效應、熱彈性效應、電致緊縮或磁致緊縮而藉由力、力矩、應力或應變來誘發位移。
第二機械共振器53之驗證質量的位移可以用TR1電極(圖8的83、84)來電測量並且轉換成電訊號S1。第一電訊號S1可以由放大器55所放大，並且放大的訊號經由控制器57而饋入施力轉換器TR2。TR2可以組構成用TR2電極(圖8的85、86)來對驗證質量施加機械力，其對應於第二電訊號S2。S2然後可以饋入TR2，而其相位與偵測到的位移關係致使驗證質量的移動被施加的力所減少。
於圖5的組態，第一機械共振器的共振頻率和第二機械共振器的共振頻率乃起初調整成基本上重合。基本上重合在此意謂頻率分離(1-ω)是在0到0.05的範圍中。附帶而言，控制元件乃組構成將第一電訊號轉變成第二電訊號，其轉變的方式使得回饋共振器的品質因數保持低於10。有利而言，回饋共振器的品質因數甚至是更小，最好低於2。第一機械共振器的品質因數和第二機械共振器的開路品質因數(沒有回饋的迴路)可 以高很多而在100或更大的等級。
據此，為了達成適當的轉移函數，藉由回饋迴路而有效率的減少元件Q值是必須的。傳統上較高的阻尼已藉由增加回饋迴路中之訊號S2的放大而達成，亦即增加所謂的迴路增益，其包括來自迴路中之任何放大器、控制器、轉換器、機械共振器的頻率回應、共振器彈簧元件的彈簧常數等的貢獻。然而，這麼做時，吾人必須注意閉路轉移函數在所有條件下保持穩定。當控制器具有傳統的轉移函數並且當嘗試較高數值的放大時，實際的系統容易開始在相當高於共振器之共振頻率的頻率下振盪。
於本實施例，所需的Q值程度可以藉由訊號處理濾波器來控制抵抗偵測到之運動的回讀力而達成。有利而言，訊號處理濾波器的功能乃做為共振器，因此在定義的共振頻率出現尖峰。據此，定義S1和S2的數值之間對應性的回應函數是具有共振頻率特徵的頻率回應函數，該共振頻率特徵基本上重合於S1的共振頻率。
於訊號處理，濾波器是指完全或部分抑制訊號中之某些不要成分或特色的裝置或過程。具有頻率回應的訊號處理濾波器(下文稱為濾波器)乃組構成從訊號移除某些頻率而非其他的頻率。濾波器的轉移函數是頻率回應函數，其定義它輸入的訊號和它輸出的訊號之間的關係，並且濾波器的截止頻率是在此之後則濾波器開始衰減或消除訊號的頻率。濾波器的衰減(roll-off)則定義出回應函數在截止頻率之後的陡峭度。已知衰減傾向於在遠離截止頻率的頻率下有固定不變的梯度。衰減可以發生於下降頻率以及上升頻率，此視濾波器的類型而定。舉例而言，低通濾波器將隨著頻率增加而衰減，而高通濾波器將隨著頻率降低而衰減。
於本實施例，訊號處理濾波器可以是第三共振器，其具有恰在其截止頻率之前的特定共振頻率。如圖4所示，這意謂頻率回應在濾波器的共振頻率是極高，並且隨著頻率增加而極陡峭的衰減。於截止頻率之另一側的區域(低頻回應區域)，雖然回應函數是更加平坦，但是共振回應的差異仍然可觀。
已經發現可以應用濾波器對於在共振頻率和極靠近它的頻率以及超過該頻率的頻率有顯著差異的回應，以避免機械共振器之回饋閉路中有不要的振盪。藉此，可以達成顯著較高程度的阻尼。
由於要被阻尼的主要共振典型是裝置的最低共振頻率，故不需要共振器於低頻回應範圍的衰減。為了消除來自該區域中之不欲相位移的不利效應，必須控制由控制共振器所做的訊號放大。回到圖5，方塊圖中的控制元件57現在可以視為第三共振器。第二共振器53產生第一電訊號S1，其頻率對應於感測模式振動。S1可以由預先放大器55所正常預先放大，並且放大的訊號饋入第三共振器57。第三共振器根據其頻率回應函數而產生修改的電訊號S2。S2可以由第二放大器所放大，然後饋入R2的電壓對力的轉換器以定義要施加在R2上的阻尼力量。
為了確保阻尼發生在適當的相位，回饋的符號必須根據濾波器的類型來調整。讓我們考慮第一情況，其中控制器57是低通濾波器。機械共振器在共振頻率的相位移是-π/2，並且低通濾波器的相位移是-π/2。為了有穩定的操作，回饋迴路的相位移必須為0或-π。這意謂在低通濾波器的情況，回饋的符號在低頻必須為正。然後可輕易看到於衰減區域，回應程度的快速減少則確保了無振盪的操作。然而，正回饋有 可能在低頻回應區域中引起不穩定性，此處是有低通濾波器於低頻範圍。
為了避免訊號於低頻範圍引起不穩定性，它們的放大必須設定為低，最好設定成小於1的數值。已經發現藉由選擇低通濾波器的電Q值之範圍從3到10，並且設計低通濾波器57的振幅尖峰基本上重合於第二機械共振器R2的共振頻率，則R3在低頻的放大可以良好減少到低於1，並且共振頻率附近的迴路增益仍可以由回饋放大器58增加得夠高以用於極有效率的阻尼。
用於控制器之有利的低通轉移函數可以具有以下形式： 其中Qe是低通濾波器的Q值，而K是在低頻的放大。Qe的範圍最好是從3到10，並且K的範圍是從0.1到0.3。當方程式(7)的轉移函數乃用於回饋系統並且回饋的符號選擇為正時，吾人得到極高阻尼的閉路轉移函數，如圖9所示的振幅和圖10所示的相位。可以看到雖然所得的振幅回應在機械共振器的共振頻率附近有二個尖峰，但是它們還不至於高到危及原始極高Q值共振的阻尼。
以進一步優點而言，看到由於提出的組態，控制器回應的尖峰與機械共振頻率的匹配不須要是極精確。操作期間有10%的偏差不會引起明顯的效應，並且高達30%的偏差仍可以是有用的。第三共振器(控制器57)的轉移函數達到其最高數值下的共振頻率可以與第二機械共振器R2的共振頻率偏差達到某一程度。有利而言，偏差維持在20%以下，使得R2的共振頻率維持在R1之共振頻率範圍的80%到120%。然而，已注意到即使 有50%的偏差(亦即R2數值範圍為R1之共振頻率的50%到150%)仍是可應用的。
由於額外的共振頻率傾向於在較高頻率出現的緣故，已看到低通濾波器在回饋迴路中操作得極佳，這是因為快速衰減有效率的從訊號消除了不要的元素。藉由將控制器的放大調整得夠低，則也可能消除低頻範圍的不穩定性。達成了提供正確相位移並且可以極強烈放大的阻尼訊號。
相同的概念也可以應用於具有頻率回應之其他類型的濾波器。於另一實施例，控制器57可以由高通濾波器來實施。於此情況，來自機械共振器之回饋迴路中的相位移是-π/2，並且高通濾波器的相位移是+π/2。這意謂在低通濾波器的情況，雖然閉路的其他方面可以採取類似於低通濾波器情況的方式來設計，但是回饋的符號必須設定為負。用於高通組態的轉移函數可以具有以下形式：
於另一實施例，控制器57可以由帶通濾波器和全通濾波器的組合來實施。於此情況，來自機械共振器之回饋迴路中的相位移是-π/2，並且帶通濾波器的相位移是0。雖然帶通濾波器提供適當的頻率回應特徵，但是無法提供適當的相位移數值。因為全通濾波器的相位移是-π/2而對衰減沒有效應，所以加上了全通濾波器，則當回饋的符號設定為正時，便可以維持想要的頻率回應特徵並且提供正確的相位移。閉路的其他方面可以採取類似低通濾波器情況的方式來設計。用於帶通/全通組態的轉移函數可以具有以下形式：
於進一步的實施例，控制器57可以由具有共振或甚至平坦頻率特徵的全通濾波器來實施。於此情況，來自機械共振器之回饋迴路中的相位移是-π/2，並且全通濾波器的相位移是-π/2。因而可以藉由將回饋的符號設定為正而達成適當的相位移。閉路的其他方面可以採取類似於低通濾波器情況的方式來設計。
於上面的實施例，第二共振器頻道所需的阻尼是由回饋迴路所達成，該迴路有效率的消除或至少減輕第二共振器中的假性共振效應。熟於此技藝者清楚知道也可以使用某些其他類型的回饋控制器，只要可以達成所需程度的阻尼和對假性機械共振有適當穩定度即可。
所述的組態解決或至少減輕了上面討論之傳統微機械感測器裝置的許多問題。第一和第二共振頻率基本上是重合之回饋阻尼式陀螺儀的訊噪比乃大大的改良，這是由於在提出的組態，放大器雜訊沒有被機械共振所放大。回饋迴路可以用圖11的組態來模型化，其中Ui是轉換成等效電壓訊號的機械輸入訊號，Hm是次要共振器的機械轉移函數，Un是縮減成放大器輸入的雜訊電壓，A是預先放大器的放大，Hc是控制器的轉移函數，而Uo是輸出電壓。輸出電壓然後可以寫成： 於方程式(10)，第一項是在輸出的雜訊電壓，並且第二項是在輸出的訊號電壓。回饋系統的訊噪比可以寫成： 其中S/N | CONV是沒有任何共振增益之傳統陀螺儀的訊噪比。
在次要共振頻率ω=ω0，訊噪比是由第二共振器之機械品質因數Qm的因子所改良：S/N | FB=Qm．S/N | CONV (10)稍微偏離於共振頻率時方程式(10)變成： 以典型的共振頻率和頻寬數值而言，具有所述回饋迴路之改良的感測器裝置之計算訊噪比要比傳統感測器裝置組態的訊噪比好上100倍。
注意以提出的組態而言，改良了對於機械衝擊、振動、聲波的敏感度。於微機電陀螺儀，次要共振是對於外部衝擊之敏感度的主要來源。一種用於此敏感度的已知機制是將外部振動在次要共振頻率下直接耦合於次要共振模式。接近共振頻率的外部振動將引起大的次要振動和對應的大電訊號，其輕易就使放大器過載並且擾亂偵測。在次要頻率之更有效率的阻尼則顯著減少了直接耦合的效應。
也大大改良了感測器裝置的振動敏感行為。由於就如傳統的陀螺儀在△f的頻率回應沒有更多的尖峰，故實際上沒有△f效應。附帶而言，由於現在直接耦合和柯氏訊號均得益於相同的共振增益，故大大減少了直接耦合於次要共振器的效應。於傳統的陀螺儀組態，直接耦合的增益 要比柯氏訊號的增益大至少100倍。
零點穩定度幾乎和傳統的陀螺儀一樣好，此乃由於相位沒有隨著頻率函數接近共振頻率而改變得太多。以簡單的控制器功能(微分器)來說，阻尼之共振器的閉路頻率回應是：
其中K是在低頻的增益。相位的斜率是：
在次要頻率，斜率將是：
對於具有尖峰頻率回應的控制器而言，斜率將是： 此斜率的實際數字是2。雖然這比方程式(5)的數值小超過100倍，但是比相同參數下之方程式(6)的數值大超過十倍。
以進一步的改良來看，在所選擇的品質因數範圍，以回饋迴路和第二機械共振器的組合而言，使主要和次要頻率起初重合則可以允許分別飄移，而不用額外的手段來校正或補償其追蹤誤差。MEMS共振器的頻率是由質量(m)和彈簧常數(k)所決定。 於陀螺儀，質量可以視為常數。彈簧常數取決於彈簧的幾何尺度和楊氏 (Young)模數。共振器也可以是基於慣性動量和扭轉彈簧常數，後者取決於剪切模數。熟知MEMS共振器的溫度係數由於彈性常數的緣故而是約-30ppm/℃。
如果彈簧是在固定不變的伸張或壓縮下，則彈簧常數將改變： 其中k是在壓縮下的新彈簧常數，k0是原始的彈簧常數，而ε是彈簧的壓縮應變。係數c則取決於彈簧的尺度。
如果共振器的移動部分附近有電場存在，則彈簧常數也可以改變。如果板型電容器連接到彈簧的移動端，如此則運動將改變介電間隙，而新的彈簧常數將是： 其中ε0是介電係數，A是電容器面積，U是電容器上所施加的電壓，而d是介電間隙。
如上所討論，有二種類型的靜電/電容轉換器。根據方程式(18)，介電間隙調變型轉換器受到施加電壓的影響。面積調變型則不受到施加電壓的影響，並且方程式(18)不適用於這類型。施加的電壓不影響陀螺儀的共振頻率，其中激發和偵測是由壓電轉換器來做。
傳統的靜電/電容MEMS陀螺儀包括面積調變型轉換器以用於激發主要運動，此乃因為這類型允許線性的激發高振幅振動。這種轉換器的共振頻率是由矽的彈性常數和共振器的幾何形狀所決定。
介電間隙調變型轉換器由於高敏感度的緣故，故傳統上使用做為次要偵測轉換器。然而，根據方程式(18)，共振頻率強烈的受到施加的偵測偏壓所影響，並且當譬如溫度改變時，次要共振頻率並不適當的追蹤主要頻率。
據此，主要和次要共振器之間的追蹤誤差可以藉由在主要和次要共振器中使用面積調變型電容/靜電轉換器來適當的控制，而不用額外的手段。替代而言，第一和第二共振器可以設計成讓對彈簧常數之機械和靜電貢獻的比例是盡可能的相等。替代而言，可以應用壓電轉換器。
有利而言，第一和第二機械共振器的共振頻率可以設計成隨著周遭環境改變而有類似的行為。
熟於此技藝者顯然知道隨著科技進步，本發明的基本理念可以採多樣方式來實施。本發明和其實施例因此不限於以上範例，而是可以在申請專利範圍裡變化。
50‧‧‧微機電感測裝置
51‧‧‧微機械陀螺儀
52‧‧‧第一機械共振器
53‧‧‧第二機械共振器
54‧‧‧主要振盪器電路
55‧‧‧預先放大器
56‧‧‧同步偵測器
57‧‧‧控制元件
58‧‧‧回饋放大器
fprim‧‧‧主要頻率
fsec‧‧‧次要頻率
R1‧‧‧第一機械共振器
R2‧‧‧第二機械共振器
S1‧‧‧第一電訊號
S2‧‧‧第二電訊號

Claims (13)

  1. 一種包括微機械陀螺儀的感測裝置，該陀螺儀包括：一第一機械共振器，其用於驅動模式振動；一第二機械共振器，其耦合到該第一機械共振器以用於對應於角速度的感測模式振動，其中該第一機械共振器的共振頻率和該第二機械共振器的共振頻率起初調整成基本上重合；一阻尼回饋迴路，其連接到該第二機械共振器，該回饋迴路和該第二機械共振器之組合的品質因數乃小於10。
  2. 根據申請專利範圍第1項的感測裝置，其中該回饋迴路包括一轉換器元件和一控制元件；該轉換器元件包括一第一轉換器和一第二轉換器；該第一轉換器乃組構成輸出對應於該感測模式振動的一第一電訊號；該控制元件乃組構成從該第一轉換器接收該第一電訊號並且根據特定的一回應函數而產生一第二電訊號，該回應函數定義該第一電訊號和該第二電訊號的數值之間的對應性；該控制元件乃組構成將該第二電訊號饋入該第二轉換器；該第二轉換器乃組構成對該質量施加對應於該第二電訊號的一對抗力；該控制元件是一訊號處理濾波器，該訊號處理濾波器的回應函數具有基本上重合於該第一共振頻率的一共振頻率特徵。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項的感測裝置，其中該第一機械共振器的該共振頻率和該第二機械共振器的該共振頻率之間的起初頻率分離是在 0到0.05的範圍中。
  4. 根據申請專利範圍第1、2或3項的感測裝置，其中該第一和該第二機械共振器的該共振頻率乃設計成隨著環境改變而有類似的行為。
  5. 根據前述申請專利範圍第1到4項中任一項的感測裝置，其中該第二共振器的該第一轉換器和該第二轉換器是面積調變型電容/靜電轉換器。
  6. 根據前述申請專利範圍第1到4項中任一項的感測裝置，其中該第二共振器的該第一轉換器和該第二轉換器是壓電轉換器。
  7. 根據前述申請專利範圍第1到4項中任一項的感測裝置，其中該第一機械共振器或該第二機械共振器的結構乃設計成保持對彈簧之機械和靜電貢獻的比例基本上固定不變。
  8. 根據申請專利範圍第2項的感測裝置，其中該控制元件是一訊號處理濾波器。
  9. 根據申請專利範圍第8項的感測裝置，其中該訊號處理濾波器的品質因數乃高於1。
  10. 根據申請專利範圍第8或9項的感測裝置，其中該訊號處理濾波器的品質因數是在3到10的範圍中。
  11. 根據申請專利範圍第8、9或10項的感測裝置，其中用於頻率低於該第一共振頻率之該回饋迴路閉路的增益是在0.1到0.3的範圍中。
  12. 根據申請專利範圍第5到10項中任一項的感測裝置，其中該共振頻率特徵與該第一共振頻率的偏差小於50%。
  13. 一種製造包括微機械陀螺儀之感測裝置的方法，該陀螺儀包括用於 驅動模式振動的一第一機械共振器以及包括耦合到該第一機械共振器而用於對應於角速度之感測模式振動的一第二機械共振器，該方法包括：將該第一機械共振器的共振頻率和該第二機械共振器的共振頻率調整到基本上重合；將一回饋迴路連接到該第二機械共振器，該回饋迴路和該第二機械共振器之組合的品質因數乃小於10。
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