TW466334B

TW466334B - Angular rate producer with microelectromechanical system technology

Info

Publication number: TW466334B
Application number: TW089124225A
Authority: TW
Inventors: Ching-Fang Lin; Hiram Mccall
Original assignee: American Gnc Corp
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2001-12-01
Also published as: WO2003010491A1; US6311555B1

Description

4 6 63 3 4 五、發明說明α)

I 本發明係關於一種角速率產生器，更確切的講，係一；種採用微機電系統（microelectromechanical system ， I MEMS)角速率產生器，而本發明的角速率產生器包括一振動型角速率檢測單元、一接口電路及一數字信號處理系統，以便在動態環境中獲得高精度、高敏感度及穩定的載 :體角速率測量者。 I 通常，角速率產生器在功能上是利用一角速率傳感器 I或一常規陀螺測量獲得載體之角速率，且隨著角速率產生器市場的擴大，過去幾十年來，基於各種測量原理已經發明了許多獲取角速率產生器的方法，並且將要發明更多的 |方法。 I 現有的角速率產生器包括鐵轉子陀螺和光學陀螺。 i傳統的鐵轉子陀螺基於陀螺原理，它通常有一轉動的鐵轉| 子1具有模擬信號輸出，較高的成本，重量重，功耗高，這些特點是因為它有移動的機械部件。鐵轉子陀螺通常只 :能工作數千小時。丨

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現有的光學陀螺包括環形激光陀螺和干涉光纖陀螺，I i ! 它們都基於Sagnac效應，且通常具有數字信號輸出。：真正的低成本、可大量生產、微小尺寸、低功耗的角速率 i產生器一直是工業多年的目標。傳統的角速率產生器有廣泛的用途，然而他們的成本、體積和功耗使他們不能應用| !於許多正在出現的商業用途，如相控陣列天線。 ME MS技術的飛速發展使得製造低成本、可大量生產、微小尺寸、低功耗的角速率產生器成為了可能。MEMS的意

第6頁 4 6 63 3 4 五、發明說明（2) I 思是微機電.系統（microelectromechanical system)或微 i小的電氣機械裝置。MEMS裝置涉及到應用集成電路技術， MEMS產生可以控制的機械可運動結構。MEMS包括微電子和微機械概念sMEMS裝置的例子有喷墨打印機的打印頭、打I :開汽車安全氣袋的加速度計和微型機器人。 i | 在矽片上製作電子線路的微電子技術，是一種很成熟 1的技術，微機械加工利用集成電路工業所發展起來的工藝技術，在矽片上製作微小的產生器和執行器。除了產生器 :的體積縮小了好幾個數量級外，集成電路可以被加到同一 I矽片上，在一矽片上產生整個系統。這一裝置不僅對傳統 j 丨的軍用和商用產品帶來了革命，而且產生了許多新的，在沒有微小廉價的慣性產生器時不可能有的商業應用。目前已經發展出各種MEMS角速率產生器來滿足對低成 '本但可靠的角速率產生器的需求，應用領域從汽車到消費 I電子產品。單轴MEMS角速率產生器基於線諧振原理，比如i 1調諧叉，或者結構模態諧振原理，比如振動環。更有盛 i 者，多轴MEMS角速率產生器可基於轉動剛性轉子的角諧振| :原理，其轉子張力彈簧懸掛。圓形設計的固有對稱性允許 !同時實現兩轴角速率測量。然而，市場上仍然沒有高性能的商業ME MS角速率產生器可與傳統的鐵陀螺和光學陀螺競爭。設計和製造高精 j度，高敏感度，寬動態範圍，高穩定性的角速率產生器仍丨 |然是一項機富挑戰性的工作。 ! 本發明之主要目的是提供一個採用微機電系統角速率

第7頁 4 6 63 3 4 五、發明說明（3) |產生器，用來測量載體的角速率，高精度是通過最大化該器件的動量的質量，換句話講，通過選擇具有最好穩定性 I和幅度的動量。通過通過為現有的振動型角速率檢測單 1元，包括調諧音叉和振動梁，提供高性能的振動驅動信號 i產生和角速率信號提取器件獲得最好的動量者。 ! 本發明之主要目的是提供一個採用微機電系統角速率

I :產生器，用來測量載體的角速率，它包含：一數字處理系統，用來輸出振動驅動能量，該振動驅動能量是一連續或週期的電信號，如具有預定頻率和幅度 i的電壓信號；一振動型角速率檢測單元，用來接收振動驅動能量，保持慣性質量塊振動的動量的恆定，輸出相對於載艎角速 i 率角速率具有穩定刻度係數的受角速率激勵的信號，以及慣性質量塊的振動運動信號；丨一接口器件，用來轉換將來自振動型角速率檢測單元| :的受角速率激勵的信號成為角速率信號，通過輸出角速 | 率，以便於一慣性測量組件使用和讀取，並將慣性質量塊 I的振動運動信號變換為相位已知的慣性質量塊的位移數字 1信號，輸出給數字處理系統，以便產生振動驅動能量； I 本發明之主要目的是提供一個採用微機電系統角速率產生器，用來測量載體的角速率，其中，振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的諧振模態的數目τ可通過綜合接口電路和數字處理系統，加以減小者。 1 · 本發明之主要目的是提供一個採用微機電系統角速率

第8頁 4 6 63 3 4 ;五、發明說明（4) 產生器，用來測量載體的角速率，其中，通過綜合接口電路和數字處理系統，來保證振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的赉振模態的線性者。本發明之主要目的是提供一個採用微機電系統角速率丨 |產生器，用來測量載體的角速率，其中，振動型角速率檢 I測單元的慣性質量塊的諧振被鎖定，以便增加角速率產生器的靈敏度者。 ! 本發明之主要目的是提供一個採用微機電系統角速率 i i i產生器，用來測量載體的角速率，其中，最小化了角速率 i偏置和刻度係數漂移者。 ! ! 本發明之主要目的是提供一個採用微機電系統角速率： i 產生器，用來測量載體的角速率，其中，提供了用於產生器刻度係數線性化的閉環設計者。本發明之主要目的是提供一個採用微機電系統，MMS i 1角速率產生器，用來測量載體的角速率，其t，通過綜合1 :接口電路和數字處理系統，來達到為產生器刻度係數穩定，之目的的振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的運動的規 :則，為產生器刻度係數和偏置穩定的溫度穩定者。丨圖號說明：丨 1 0 -振動型角速率檢測單元 2 0 -接口電路 i ! 2105 -阻抗轉換放大器電路 21振動控制電路 2110 -放大器和加法器電路 2115-高通濾波器電路丨 + 2120 -解調器電路 2125 -低通濾波器 2130 -模擬數字轉換器 22-角信號回路電路

第9頁 4 6 63 3 4 五、發明說明C5) 22 05-電壓放大器電路 22 1 5-解調器 2225-積分器 22 50-放大和加法器電路 2 2 6 0 -解調器 2 3 -振蕩器。 2 2 0 1 -高通濾波器電路 2210 -放大和加法器電路 2 2 2 0 -低通濾波器 2230-驅動放大器 2 2 5 5 -高通濾波器電路 2 2 6 5 -低通濾波器 3 0 -數字處理系統 3 0 2 5 -鎖相環 3030 -數字模擬轉換器 3035 -放大器 3 0 0 5 -離散快速富里葉變換模塊 3 〇 1 (]-頻率和幅度數據存儲陣模塊 3 0 1 5 -最大值檢測邏輯模塊 3020-Q值分析和選擇邏輯模塊參見本發明的圖示，本發明的角速率產生器之一優選方案是採用微機電系統角速率產生器，用來測量載體的角速率。丨本發明的角速率產生器使用振動慣性質量塊，通過克里奥里斯效應，感應載體的角速率。克里奥里斯效應是一般振動型角速率產生器的工作原理。丨克里奥里斯效應可解釋為，當一角速率施加到一平移和振 !動的慣性質量塊，則會產生克里奥里斯力。當一角速率施加到和振蕩的慣性質量塊的軸向，慣性質量魂的齒會接收；到克里奥里斯力。該克里奥里斯力可產生沿產生器軸向的 |扭力。該扭力正比於施加的角速率α進而，角速率可被測丨量。

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第丨〇頁 466334 「~ 一 1 i I五、發明說明（6) | 克里奥里斯力或加速度是命名與法國物理和數學家，蓋斯佩德得克里奥里斯（1792-1843)。他在1835年假定了它的克里奥里斯力，作為在彈道計算時對地球旋轉的校正量。克里奥里斯加速度作用在一繞一點以固定角速率移動和徑向移動的物體上。得以克里奥里斯力的基本方程可表達為

^Cortolis 讯 a (joriolis =2τη(ώ χΫ0—) I 其中，A咖如是檢測到的克里奥里斯力 π是慣性質量塊的質量；是產生的克里奥里斯加速度； | 3是輸入的角速度；是慣性質量逸的振蕩速度。丨產生的克里奧里斯加速度正比於慣性質量塊的質量、輸入的角速度和慣性質量塊的振蕩速度之積。慣性質量塊的振蕩速度的方向正交於輸入的角速度方向。 | 利用克里與里斯效應的振動型角速率檢測單元，可以丨 !設計和製造成不同的結構方式。一種正在出現的製造利用克里奥里斯效應的振動型角速率檢測單元的技術是，採用| 微機電系統在一矽片上製造一微機械，具有振動型角速率 i檢測單元的功能。現有可製造振動型角速率檢測單元的技術方案、產品及專利，多種多樣，包含： (A )技術方案： I 振動梁；

第11頁 4 6 6 3 3'4 五、發明說明（7) 調諧音叉； ! 閉合回路再扭力矩的石英和矽陀螺；角振動和旋轉的石英和矽陀螺；體微加工的陀螺；為檢測角振動的石英的圓模態的多點電容信號檢出丨設計。 i ( B )產品司思壯公司的石英速率產生器；

I 第爾口公司的半球諧振陀螺。丨,（C .)美國專利之號碼及名稱： 1)5, 796, 001單片微機械調諧音又角速率產生器 j 2)5, 767, 405靜電梳驅動、壓電信號讀出的微機械調諧音丨叉角速率產生器 3)5,747,961用於調諧音叉陀螺及其它產生器的拍頻電機位置檢測方案 :4)5, 635, 639微機械調諧音叉角速率產生器丨5)5 ,505,084微機械調諧音叉角速率產生器 6) 5, 496 ,436靜電梳驅動的微機械調諧音叉角速率產生器

I 丨的製作方法 7) 5, 492, 596微機械基於玻璃的矽調諧音叉角速率產生器的方法 8) 5, 388, 458單片微機械調諧音叉角速率產生器 9) 5, 349, 855靜電梳驅動的微機械調諧音又角速率產生器「10)5,952, 574調諧音叉陀螺及其它產生器中的用於降低充

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第12頁 4 6 6334 ； j 五、發明說明（8) j電效應和控制平面外敏感性的開槽

I i 11)5, 911 ,156調諧音又陀螺及其它產生器中的用於降低充電暫態、電機幅度失配誤差、及對垂直移動敏感性的雙片 !電極： i 12)5, 892, 153調諧音叉陀螺及其它產生器中的用於控制平面外敏感性的屏蔽帶在本發明中，優選的振動型角速率檢測單元是MEMS器件，顯然，並不限於MEMS器件，因為MEMS技術是將振動型丨角速率檢測單元的尺寸縮小到顯微的水平。

j 例如，功能上可作為振動型角速率檢測單元的微機械I 丨產生器單元如第一圖所示，在該結構中，振動型角速率檢| I測單元通過檢出一個由振動的微加工質量塊偏離它的振動 I平面而產生的信號來測量角速率，當振動的微加工質量受到一垂直於它的振動平面的轉動作用時，在哥氏力作用 ;下，振動的微加工質量偏離它的振動平面。微加工產生器單元，由兩個振動運動方向相反的振動元件所組成，形成一對差分測量，以消除由於重力效應和加速度引起的干擾力。敏感質量由八個懸臂梁懸掛，其同丨時也為振動提供彈性力。兩個振動敏感質量由彈簧連在一起，並連於周圍的靜丨止材料1振動敏感質量由靜電梳驅動電機在兩個相反的方 I向驅動，以維持邊.平面内振動，振動運動處於晶片平面 I内，當在輸入轴向（其在叉平面内給MEMS器件施以角速率丨時，哥氏效應產生的哥氏力引起敏感質量平面外的振動，

第13頁 4 6 6^3 3 4 :五、發明說明（9) ! 丨產生的上下振動的運動幅度正比於輸入角速率，被處於敏 !感質量下的電容檢出板所檢出及測量，驅動梳驅動敏感質 :量互相做反相運動，因此敏感質量對哥氏力的響應也方向相反。 I 電路通過測量電容器中的電荷來檢測這一垂直運動，器件的靈敏度取決於振動運動的幅度，振動頻率，器件的質量，和檢測方法，器件的靈敏度與元件的速度與角速率 :的乘積成正比，極大化運動幅度和振動頻率可提高靈敏丨度。丨為增加振動幅度，元件在支持彈簧的諧振頻率上運行，這也使驅動元件所需的能量最小。如果諧振頻率很高 | (硬彈簧元件的垂直運動會減小，典型的諧振頻率為 1 1000KHZ-13, OOOHZ )。如果振動運動不是真正線性的，會在元件中引起誤差，由相應於哥氏力的質量運動引起的電容變化通過測量從一高頻信號（1 0 0千赫茲到1兆赫茲）流過的電流來確定。電容的大小在數量級，電容中電荷的大小在0 . 5 p f數量：級，為了達到最高的靈敏度，在本發明的設計中，把電子 !線路佈置得盡可能地接近元件的檢出電極，在本發明中，通過把電子線路與微加工產生器單元集成在一個芯片上，；或把電子線路放置得盡可能地靠近產生器而達到這一設 i計。芯片上的電子線路可檢測到數量級的運動變化。當角速率被施加於微加工產生器單元的角速率輸入轴時，可敏感到變化的電容信號。

第14頁 46 63 3 4 丨五、發明說明（ίο) 參照第三圖所示，微加工產生器單元結構一共形成了六個電容器，其中，四個電容器由兩個敏感質量和三個靜 .子形成，為振動驅動機構構造了四對驅動梳，兩個電容器由兩對敏感質量和敏感器電極形成，當陀螺輸入轴上有角丨速率時，在哥氏力的作用下，一個敏感質量向電極移動，而另一個敏感質量離開電極，因此，這兩個電容器可被用來形成一個差分測量電路。 | 目前有兩種技術用來製造M EMS器件；體微加工和面微 I加工，本發明所優選的MEMS製造方法是表面微加工，表面 ;微加工元件的典型厚度為幾個到十個微米。由表面加工所產生的角速率產生器有很小的質量，該加工的優點是低成本及易於電子線路集成到產生器近處。在面微加工工藝中，在矽片的表面製作產生器元件，為了製作面微加工產生器，幾個微米厚度的氧化犧牲層被沉積在一個矽片的鈍化層上，在其中離子井已被預先分散’接著，在基層中，過兩個絕缘器到分散區刻出開口，下一步，在整個'產生器區域上沉積一個高分子石夕層，填上；開口，與分散區建立機械與電氣連接，敏感元件接著被刻丨入浮動的高分子矽層，下一步，從高分子矽之下通過進一 i步光刻，去除氧化犧牲層，讓高分子矽層基本上懸在空中，但同時也通過在分散點上形成的錨柱或錨基連接於基 I ' 面微加工從一個矽片材料開始，在面微加工令，矽片 I是基層，即工作面，在其上，沉積和光刻多個不同的結構

第15頁 Λ6 63 3 4 I五、發明說明（ιυ |層和犧牲材料層15 —個典型的面微加工工藝過程開始時，在表面沉積一層犧牲材料，其在製作工藝的最後步驟會被完全去除，或在表面沉積一層結構材料，其被用來構造的 j功能部件。該沉積層接著由一個所希望形狀的模板覆蓋， j其典型地由照相制版過程轉化而來，通常光敏材料的曝光 j和暴露光阻的發展，下一步，沒有被覆蓋模板所保護下層材料被刻除，典型地通過反作用離子腐蝕把覆蓋模板轉化 !為特定材料層。這一沉積覆蓋刻除循環過程多個夹層的結構和犧牲層上會重復多次，直到角速率產生器完成。面微加工的最後一步是通過去除下面和周圍的犧牲材料從夾層中釋放結構材料。 I 最常用的面微加工過程從一月與用在微電子製造中的1 ; ； |矽片相同種類和等級矽片開始，用二氧化矽層作犧牲材 1料，用高分子矽，一種沉積的，晶體形式的矽，作為結構 #料，其他的沉積材料，例如氮化碎，高分子合成材料和 Μ，也被用來提供電氣絕緣材料，導電材料，腐蝕覆蓋， i和其他結構材料。所有這些材料廣泛應用於標準的微電子 !製造工藝，很容易得到。 i 因為夾屠結構，犧牲材料層，和材料的腐#用一種對 j晶體結構不敏感的工藝處理1或者因為材料本身是非晶丨 !體，面微加工工藝使得製作任意形狀，複雜的，和多元件的集成MEMS結構成為可能，解放出MEMS的設計者去構想和；製作應用體加工工藝所不能實現的器件和系統。面微加工工藝可使加工工藝和器件的設計者能自由地選擇任何有互

第16頁 4 6 63 3 4 :五、發明說明（12) |補的結構和犧牲材料的材料系統。正是這種對製造器件和 !系統的材料，幾何形狀，組裝，和相互連接都沒有限制的丨自由，是MEMS豐富和深入地應用到如此多領域的源泉。所有的執行動作通過靜電力來實現，這種力很微弱，丨敏感質量的運動报容易被阻止，灰塵或元件清潔不合適都 !會引起問題。面加工器件的製作是通過用犧牲氧化物隔離所有的運動部件。製作工藝的最後一步是這些氧化物的去 I除。一旦氧化物被去除，腐姓溶劑必須用水完全清除，再用酒精清除水，接著用乾燥器件的方法去除酒精。如果溶 \ 劍的清除不合適，則發生钻滯，阻止元件的運動\使器件 i失效。器件也易受擠膜效應的影響。當器件在空氣中運行 :時，元件的運動可被困在其中不能移動的空氣所阻止。這 |些器件在真空中封裝。空氣去除器被用於封裝以保持真空 ;的質量。真空的應用會降低器件的抗沖擊性能。空氣阻尼增強抗沖擊性能。 i 振動型速率產生器的主要問題是差的精度 '靈敏度和| :穩定性。不像ME'MS加速度產生器是一種被動器件，微機械丨振動型角速率產生器是一種主動產生器。因此，應當發明相應的高性能的電路和控制，以便更加有效地使用現有的 |微機械振動型角速率產生器，達到高性能的角速率測量， I來滿足小型IMU的需求。因此為了獲得振動型角速率檢測單元的角速率敏感信號，振動驅動信號必需首先饋入振動型角速率檢測單元， !以便驅動慣性質量塊的振動，並能保持慣性質量塊恆定的

第17頁 4 6 63 3 4 五、發明說明（13) 動量。振動驅動信號的質量是一 MEM S角速率產生器的整體性能的關鍵。慣性質量塊通常是被靜電懸浮並以特定方式振蕩的。其振動驅動信號通常是具有精確幅度的高頻正弦信號。振動頻率和幅度必需被一外部器件搜索、選擇、鎖定，以便使振動型角速率檢測單元工作在最優的方式下，獲得更加精破的敏感性，包括更加靈敏和穩定。參見第三圖所示，本發明之角速率產生器它包含一振動型角速率檢測單元

I 10、接口電路20、數字處理系統30。 I 振動型角速率檢測單元10用來通過克里奥里斯效應檢測角速；一接口電路2 0，用來轉換將來自振動型角速率檢測單元10的受角速率激勵的信號成為角速率信號，通過輸出角 i速率，以便於一慣性測量組件使用和讀取，並將慣性質量丨 !塊的振動運動信號變換為便於處理的慣性質量塊的位移信i 號； i ：一數字處理系統30 ，使用便於處理的慣性質量塊的位| I移信號，提供提供一電磁能量，包括振動驅動信號，給振動型角速率檢測單元1 〇，以便鎖定振動型角速率檢測單元 1 0的慣性質量塊的振動頻率和幅度。振動型角速率檢測單元10是振動型器件，包含至少一套振動的慣性質量塊，包括調諧音又及相應的支撐結構和器件，如電容性信號讀出器件，並且利用克里奥里斯效應檢測載體的角速率。

第18頁 4 6 63 3 4 . I " I五、發明說明（14) 請參閱第四圖所示，第一優選之振動型角速率檢測單元1 0接收信號如下： (1 )振動驅動信號，以便保持慣性質量塊的搌動； (2)載波參考振蕩信號，包含電容讀出激勵信號；及 (3 )位移恢復信號，包括靜電扭力矩信號，用來將慣性質量塊保持在零位置，以利於提高敏感性能。第一優選之振動型角速率檢測單元1 0分別利用動力學（克里奥里斯力）檢測載體的角速率，輸出信號如下： (1)受角速率激勵的信號，包含調制在載波參考振蕩信號上的角速率位移信號； (2 )慣性質量塊的振動信號，包含振動位移信號；如第五圖所示，第二優選之振動型角速率檢測單元10 |包含了第一優選之振動型角速率檢測單元本身和一附加的自扭力矩用於將慣性質量塊保持在零位置，以利於提高敏i 感性能，第二镘選之振動型角速率檢測單元1 〇接收： (1) 振動驅動信號，以便保持慣性質量塊的振動； (2) 載波參考振蕩信號，包含電容讀出激勵信號；丨第二優選之振動型角速率檢測單元1 0分別利用動力學（克

I !里奥里斯力）檢測載體的角速率，輸出信號如下： (1 )扭力矩信號；〔2 )慣性質量塊的振動信號，包含振動位移信號；依據本發明，優選之振動型角速率檢測單元1 0檢測載體的角速率，輸出受角速率激勵的信號，包括正比於角速率和扭力矩信號的AC或DC電壓信號，以及慣性質量塊的振動信

第19頁 4 6 63 3 4 五、發明說明（15) |號。 I 接口電路2 0，將受角速率激勵的信號變換為角速率信 |號，例如，將AC信號解調為正比於輸入角速率的DC信號， I以及使用來自振動型角速率檢測單元10的慣性質量塊的振 |動信號，產生相位已知的慣性質量塊的位移數字信號，輸丨出給數字處理系統30。 ! 數字處理系統30，接收來自接口電路20的已知相位的慣性質量塊位移數字信號，執行： (3.1) 搜索具有最高質量因子（Q)值的頻率； (3.2) 鎖定該頻率； (3.3) 鎖定幅度，產生振動驅動信號，包括具有精碟幅度的高頻正弦信號，給軸振動型角速率檢測單元10 ，以 j便使慣性質量塊振動在預定的諧振頻率下。 ! 如第六圖所示，接口電路2 0包含搌動控制電路、角 I信號回路電路22及振蕩器23。振動控制電路21接收來自振動型角速率檢測單元10的慣性質量塊的振動位移信號’以及來自振蕩器2 3的參考拾取信號，產生已知相位的慣性質量塊的位移信號。角信號回路電路2 2接收來自振動型角速率檢測單元1 0 的受角速率激勵的信號，以及來自振蕩器23的參考拾取信號，將受角速率激勵變換為角速率信號。一振蕩器23用來為振動型角速率檢測單元10、振動控制電珞2 1和角信號回路電路2 2提供參考拾取信號。如第七圖所示，角信號回路電路22包含一個高通濾波

第20頁 4 6 63 3 4 五、發明說明（16) 器電路2 201 、一個電壓放大器電路2 205、一個放大和加法器電路2210、一個解調器2215和一個低通濾波器2220。高通濾波器電路2 2 0 1連接於振動型角速率檢測單元 10 ，接收受角速率激勵的信號，該信號是來自振動型角速 i率檢測單元10的AC電壓信號，除去其中的低頻噪聲，形成過濾後的受角速率激勵的信號；丨電壓放大器電路2205，用以放大過濾後的受角速率激 |勵的信號到至少i 0 0毫伏，形成放大的受角速率激勵.的信 I號；

I ! 放大和加法器電路2 210，用以提取放大後的角速率信號的差異，以產生差動的角速率信號，· ! 解調器2215，連接於放大和加法器電路2210，用以從 |差動的角速率信號和從振蕩器23來的電容讀出激勵信號 |中，提取同相差動角速率信號的幅度；低通濾波器2 2 2 0 ，連接於解調器2 2 1 5 ，用以去除同相：差動角速率信號的幅度信號的高頻噪聲，以形成角速率信號輸出。；為了進一步提高性能，包括刻度係數的線性，角信號丨回路電路22進一步包含連接與低通濾波器2220的一積分器 I 2 2 2 5，用來積分角速率信號，形成位移恢復信號，以及一 !連接與積分器2225的驅動放大器2230，用來放大位移恢復信號，形成一驅動信號，包括一扭力矩信號，輸出給振動型角速率檢測單元1 〇，以便將振動型角速率檢測單元i 0的慣性質量塊保持在零位置°

第21頁丨五、發明說明（17) ·

I I 為了將來自慣性質量塊的振動運動信號變換為便於處 ;理的慣性質量塊的位移信號，參見第八圖所示，振動控制電路2 1進一步包含一個阻抗轉換放大器電路2105、一個放 I大器和加法器電路2 110、一個高通濾波器電路2 115' —個 i解調器電路2120、一低通濾波器2125、一個模擬數字轉換器2130 。阻抗轉換放大器電路2105，連接於振動型角速率檢測單元10，用以把振動運動信號的阻抗，從很高的水平，大於1 0 0兆歐姆，轉換為低阻抗，小於1 0 0歐姆，以便獲得兩路振動位移信號，其表示慣性質量塊和錨梳之間位移的交 I流電壓信號；放大器和加法器電路2 110，連接於的阻抗轉換放大器 :電路2105，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提高靈 :敏度，通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相減，來 ί結合兩路振動位移信號，以形成振動位移差動信號； i 高通濾波器電路2115，連接於放大器和加法器電路2110， | 以便從振動位移'差動信號中除去殘餘振動驅動信號和噪丨 |聲，產生過濾後的振動位移差動信號； ! | 解調器電路2 120，連接於高通濾波器電路2115 ，從振 |蕩器2 3接收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，從高通濾波器2 1 1 5接收濾波後的振動位移差動信號，並提取過濾後的振動位移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣 I性質量塊的位移信號； ! 低通濾波器2125，連接於解調器電路2120，從輸入的

第22頁 4 6 63 3 4 i五、發明說明（18) |慣性質量塊位移信號中除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量 |塊位移信號； | - 模擬數字轉換器2 1 3 0，連接於低通濾波器2 1 2 5，用以將模擬低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性| 丨質量塊位移信號。振動型角速率檢測單元1 〇中的慣性質量塊的振動是由具有精確幅度的高頻正弦信號驅動的a提供給振動型角速率檢測單元1 0的高性能的振動驅動信號對角速率測量值的靈敏度和穩定度起非常重要的作用。數字處理系統3 0搜索和鎖定振動型角速率檢測單元10 |的慣性質量塊的振動頻率和幅度。因此，數字化低頻慣性| I質量塊位移信號，被首先通過離散快速富立埃變換，表達 |在頻譜上。；離散快速富立埃變換（FFT)是計算離散富立埃變換 | (DFT)的有效算法，它極大地降低了離散富立埃變換的計 :算量。離散富立埃變換用來近似表達離散信號的富立埃變換。一連續信號的富立埃變換或頻譜被定義為： Χ{]ω)=\ x(t)e'!a,tdt

J-CO !

I I離散信號DFT的N個採樣的離散富立埃變換由下式給定：

第23頁 4 6 63 3 4 五、發明說明（19) 其中， ω = 2；τ/#：Γ，T是採樣時間間隔。FFT的本質是它可區分疊加在一起的不同頻率的波。將數字化低頻慣性質量塊位移信號，通過離散快速富立埃變換表達在頻譜上後，Q分析被應用在頻譜上，以便確定具有全局最大Q值的頻率。振動型角速率檢測單元10 的慣性質量塊振動在具有全局最大Q值的頻率上，可降低功率消耗τ取消許多影響激勵模式的因素。q值是慣性質量塊的基本幾何尺度、材料特性及環境條件的函數。一鎖相環路和數字模擬轉換器近一步用來控制和穩定選定的頻率和幅度。請參第九圖所示，數字處理系統30近一步包含一個離散快速富里葉變換模塊3005、一個頻率和幅度數據存儲陣模塊3 01 Q、一個最大值檢測邏輯模塊301 5及一個Q值分析和選擇邏輯模塊3 Q20，以便實現上述步驟3.1 ，找到具有最大Q值的頻率。離散快速富里葉變換模塊3 0 0 5，變換來自振動運動控制電路1 0的模擬數字轉換器2 1 3 0的數字化的低頻慣性質量塊的位移信號，以便形成輸入慣性質量塊位移信號的頻譜上的幅度數據。頻率和幅度數據存儲陣模塊3(Π0，接收幅度和頻譜數據，以形成一個幅度和頻譜數據陣。最大值檢測邏輯模塊3 0 1 5，將來自幅度和頻譜數據陣的頻譜數據陣的頻譜分割為一些頻譜段，並從當地頻譜段

第24頁 4 663 3 4 ----- ' ~ ; —------- I五、發明說明（20) ί i中選擇出具有最大幅度的頻率。 I Q值分析和選擇邏輯模塊3020，在選出的頻率上進.行q |值分析，通過計算幅度和頻帶寬度的比值，選擇頻率和幅度。其中，計算用的頻帶寬度取每一個最大頻率點最大值的正負二分之一之間。進一步，數字處理系統30包含一個鎖相環3025，用作一個很窄的帶通濾波器，以排斥所選頻率的噪聲，及產生並鎖定選定頻率的搌動驅動信號，以便實現上述步驟數字處理系統30進一步包含一個數字模擬轉換器3030 和一個放大器3035，以便實現上述步驟3.3。其中，數字模擬轉換器3030對所選的信號的幅度進行處理，以便形成具有正確幅度的振動驅動信號。放大器3030，基於正確的 i頻率和幅度的振動驅動信號，為振動型角速率檢測單元1〇丨產生和放大振動驅動信號》 ! 為了處理來自第二優選之振動型角速率檢測單元ίο輸出的扭力矩信號，如第五圖和第十圖所示，角信號回路電 I 路22進一步包含： j I 放大和加法器電路2250 ，連接於搌動型角速率檢測單元10的扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號10倍以上’以增強其靈敏度；南通慮波器電路2255，連接於放大和加法器電路 2250 ’除去放大後的扭力矩信號中殘留的搌動信號和嗓聲’形成過濾後的扭力矩驅動差分信號；

第25頁 4 6 63 3 4 五、發明說明（21) 解調器2260，連接於高通濾波器電路2 2 5 5，接收來自來自振蕩器23的參考拾取信號，以及來自高通濾波器電路 2 2 5 5的過濾後的扭力矩驅動差分信號，提取過濾後的扭力矩驅動差分信號中的同相部分，產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號；低通濾波器2265，連接於解調器2260 ，用以去除以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻噪聲，形成低頻的慣性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出。依據如上所述，當本發明之角速率產生器應用於一種小型慣性測量組件1其具有以下獨特性能： (1 )具有航向姿態參考系統功能的核心敏感模塊。 (2)微型化（長/寬/高）及重量輕。 (3 )高性能及低成本。 (4 )低功耗。 (5 )可靠性大大提高。當採用本發明之角速率產生器的這一種小型慣性測量組件被用來產生一個微型組合地面導航器，其有以下獨特功能： (1 )體積小、重量輕、低功耗、低成本° (2)AHRS，里程計，組合GPS芯片組以及磁通閥。 (3 )用於產生器數據溶合及零速修正的組合濾波器。 (4)典型應用：汽車，鐵路車輛，微型地面運載器，機器人，無人駕駛地面車輛，個人導航器，以及軍用地面運載器。

第26頁 4*6 63 3 4 五、發明說明（22) 當採用本發明之角速率產生器的這一種,小型慣性測量組件被用來作為飛機慣性航空電子裝置，其有以下獨特功能： Π)速率陀螺 (2 )垂直陀螺 (3 )航向陀螺

(4) AHRS

(5) IMU (6 )慣性導航系統 (7) 全偶合GPS/MEMS IMU組合系統 (8) 全偶合GPS/IMU雷達高度計組合系統 (9) 通用運載體導航與控制盒。本發明之角速率產生器可使這一種小型慣性測量組件得以作為太空MEMS IMU姿態確定系統和太空全偶合GPS/ MEMS I MU組合系統，用於執道確定，姿態控制，承載指向，和編隊飛行，其有以下獨特功能： (1 )抗沖擊.，耐振動 (2 )高的抗阻塞性能 (3 )高動態性能 (4)寬的使用溫度範圍 (5 )高分辨率 (6) 緊凑，低功耗，和輕重量單元 (7 )柔性的硬件和軟件結構

當採用本發明之M EMS角速率產生器的這一種小型IMU

第27頁 AG633 ^ 五、發明說明（23) j慣性測量組件被被入一 I N S接收機，用來作為廉入G P S的海用，其有以下獨特功能：

(1) 有GPS嵌入的微型MEMS IMU AHRS (2) 植入式控制顯示單元CDU(Control Display Unit) I (3)可使用的盖分 DGPS (Differential GPS) I (4)柔性的硬件和軟件系統結構 I (5)低成本，重量輕，高可靠性當採用本發明之角速率產生器的這一種小型慣性測量組件被用在微型指向和穩定裝置，其有以下獨特功能： (1) 應用微型MEMS IMU AHRS作平台穩定。 (2) MEMS IMU與指向和穩定裝置的電氣機械設計相結合。 (3) 載體運動，振動和其他干擾被穩定平台隔離》 (4) 可變的指向角做跟蹤實現。 (5) 微型MEMS IMU用於阻擊步搶的微型火控系統。

I (6 )典型應用：微型天線指向跟蹤控制，光通信系統 :的激光束指向控制’圖象攝取之望遠鏡指向控制，目標跟丨縱空中用激光指向控制，車輛控制和導引。 I 本發明可被用作需要用相控陣天線系統作運動中的通 i信的軍用及民用運動測量部件。具體的應用包括卡車和無線通信的運動衛星接收的指向控制系統，及直接衛星廣播的接收。低成本航向姿態參考系統的發展，對這些系統在商業應用領域的推廣非常重要。本發明以其用於優選方案的方式加以描述。但這並不

第28頁 4 6 63 3 4 i五、發明說明（24) . I意味著本發明被限於被描述的方案。這意味著，本發明涵 I蓋所有的變種，修改和本發明之精神和範圍可包括的等價物。

第29頁 4 6 63 3 4

丨圖式簡單說明 I i圖示說明

I |第一圖：顯示了可用於振動型角速率檢測單元的微機械加丨工產生器單元的結構。丨第二圖：顯示了微機械加工產生器單元的可變電容信號檢出的點連接設計。第三圖：顯示了本發明的角速率產生器的優選方案之模塊。第四圖：顯示了本發明的角速率產生器的優選方案之振動型角速率檢測單元。第五圖：顯示了本發明的角速率產生器的優選方案之另一振動型角速率檢測單元。第六圖：顯示了本發明的角速率產生器的優選方案之接口 :電路。第七圖：顯示了本發明的角速率產生器的優選方案之角信號回路電路。 !第八圖：顯示了本發明的角速率產生器的優選方案之振勤控制電路。第九圖：顯示了本發明的角速率產生器的優選方案之數字| 處理系統。丨第十圖：顯示了本發明的角速率產生器的優選方案之另一 | 丨振動型角速率檢測單元的角信號回路電路。丨

第30頁

Claims

六、申請專利範圍 1. 一個採用微機電系統角速率產生器，用來測量載體的角丨速率，包含：一角速率檢測單元，用來接收振動驅動能量，保持至少一套慣性質量塊慣性質量塊振動的動量的恆定，產生相 I對於載體角速率角速率的受角速率激勵的信號，以及慣性質量塊的振動運動信號；一接口器件，用來轉換將來自振動型角速率檢測單元的受角速率激勵的信號成為角速率信號，並將來自振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的振動運動信號變換為相位已知的慣性質量塊的位移數字信號；一數字處理系統，輸入慣性質量塊的位移數字信號，產生提供一振動驅動信號，給振動型角速率檢測單元，以便鎖定振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的高質量的振動頻率和幅度者。 i 2.如申請專利範圍第1項所述之「角速率產生器」，其中，該角速率檢測單元是振動型角速率檢測單元，檢測載體的角速率，输出正比於角速率和扭力矩信號的受角速率 i i激勵的電壓信號者。 3. 如申請專利範圍第1項所述之「角速率產生器」，其中，該角速率檢測單元是振動型角速率檢測單元，通過克里奥里斯效應檢測角速率者。 4. 如申請專利範圍第3項所述之「角速率產生器」，其中，該振動型角速率檢測單元接收振動驅動信號，以便保持慣性質量塊的振動；載波參考振蕩信號，包含電容讀出

第31頁六、申請專利範圍激勵信號；位移恢復信，號，包括靜電扭力矩信號，用來將 i慣性質量塊保持在零位置，以利於提高敏感性能者。 ! 5.如申請專利範圍第4項所述之「角速率產生器」，其中，該振動型角速率檢測單元分別利用動力學，即克里奥 |里斯力，檢測載體的角速率，輸出受角速率激勵的信號，包含調制在載波參考振蕩信號上的角速率位移信號；和慣性質量塊的振動信號，包含振動位移信號者。 6. 如申請專利範圍第3項所述之「角速率產生器」，其中，該振動型角速率檢測單元進一步包含一附加的自扭力矩用於將慣性質量塊保持在零位置，以利於提高敏感性能，接收振動驅動信號，以便保持慣性質量塊的振動；載波參考振蕩信號，包含電容讀出激勵信號者。 7. 如申請專利範圍第6項所述之「角速率產生器」.，其 t ，該搌動型角速率檢測單元分別利用動力學，即克里奥 :里斯力，檢測載體的角速率，輸出扭力矩信號；慣性質量 I塊的振動信號，包含振動位移信號者。 + 8.如申請專利範圍第1或2或3項所述之「角速率產生器」，其中，該數字處理系統接收來自接口電路的已知相位的慣性質量塊位移數字信號，搜索具有最高質量因子 (Q)值的頻率；鎖定該頻率；鎖定幅度，產生振動驅動信號，包括具有精確幅度的高頻正弦信號，給轴振動型角速率檢測單元，以便使慣性質量塊振動在預定的諳振頻率下者。 ^ 9.如申請專利範圍第1或2或3項所述之「角速率產生

第32頁丨六、申請專利範圍器」，其中，該接口電路包含：一振蕩器，提供參考拾取信號；一振動控制電路接收來自振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的振動位移信號，以及來自振蕩器的參考拾取信號，產生已知相位的慣性質量塊的位移信號；一角信號回路電路接收來自振動型角速率檢測單元的受角速率激勵的信號，以及來自振蕩器的參考拾取信號，將受角速率激勵變換為角速率信號者。 10. 如申請專利範圍第8項所述之「角速率產生器」，其中，該接口電路包含：一振蕩器，提供參考拾取信號；一振動控制電路接收來自振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的振動位移信號，以及來自振蕩器的參考拾取信號， !產生已知相位的慣性質量塊的位移信號； i 一角信號回路電路接收來自振動型角速率檢測單元的受角速率激勵的信號，以及來自振蕩器的參考拾取信號，將受角速率激勘'變換為角速率信號者。 11. 如申請專利範圍第9項所述之「角速率產生器J ，其中，該角信號回路電路包含： | 一高通濾波器電路連接於振動型角速率檢測單元，接收受角速率激勵的信號，該信號是來自振動型角速率檢測單元的AC電壓信號，除去其中的低頻噪聲，形成過濾後的受角速率激勵的信號；一電壓放大器電路，用以放大過濾後的受角速率激勵

第33頁 '46^33 ^ 的信號到至少100毫伏，形成放大的受角速率激勵的信號；一放大和加法器電路，用以提取放大後的角速率信號的差異，以產生差動的角速率信號；一解調器，連接於放大和加法器電路，用以從差動的角速率信號和從振蕩器來的電容讀出激勵信號中，提取同相差動角速率信號的幅度；一低通濾波器，連接於解調器，用以去除同相差動角速率信號的幅度信號的高頻噪聲，以形成角速率信號輸出者。 12.如申請專利範圍第10項所述之「角速率產生器」，其中，該角信號回路電路包含：一高通濾波器電路連接於振動型角速率檢測單元，接 i !收受角速率激勵的信號，該信號是來自振動型角速率檢測 i 單元的AC電壓信號，除去其中的低頻噪聲，形成過濾後的 i I受角速率激勵的信號； | 一電壓放大器電路，用以放大過濾後的受角速率激勵丨的信號到至少100毫伏，形成放大的受角速率激勵的信说，一放大和加法器電路，用以提取放大後的角速率信號的差異，以產生差動的角速率信號；一解調器，連接於放大和加法器電路，用以從差動的角速率信號和從振蕩器來的電容讀出激勵信號中，提取同相差動角速率信號的幅度；

第34頁 466334 六、申請專利範圍一低通濾波器，連接於解調器，用以去除同相差動角速率信號的幅度信號的高頻噪聲，以形成角速率信號輪出者α 13. 如申請專利範圍第11項所述之「角速率產生器」，其中，該角信號回路電路進一步包含連接與低通濾波器的一積分器，用來積分角速率信號，形成位移恢復信號，以及一連接與積分器的驅動放大器，用來放大位移恢復信號’ 形成一驅動信號，包括一扭力矩信號，輸出給振動型角速率檢測單元，以便將振動型角速率檢測單元的慣性質量塊保持在零位置者。 14. 如申請專利範圍第12項所述之「角速率產生器」，其 t ，該角信號回路電路進一步包含連接與低通濾波器的一 |積分器，用來積分角速率信號，形成位移恢復信號，以及丨一連接與積分器的驅動放大器，用來放大位移恢復信號’ :形成一驅動信號，包括一扭力矩信號，輸出給振動型角速 i率檢測單元，以便將振動型角速率檢測單元的慣性質量塊保持在零位置者。 | 15.如申請專利範圍第9項所述之「角速率產生器」，其中，該振動控制電路進一步包含：一阻抗轉換放大器電路，連接於振動型角速率檢測單元，用以把振動運動信號的阻抗，從很高的水平，大於 1 0 0抵歐姆，轉換為低阻抗，小於1 0 0歐姆，以便獲得兩路振動位移信號，其表示慣性質量塊和錨梳之間位移的交流電壓信號；

第35頁 I六、申請專利範圍 ’ 一放大器和加法器電路，連接於的阻抗轉換放大器電路，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提高靈敏度，通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相減，來結合兩 I路振動位移信號，以形成振動位移差動信號； | j 1 一高通濾波器電路，連接於放大器和加法器電路，以便從振動位移差動信號中除去殘餘振動驅動信號和嗓聲，產生過濾後的振動位移差動信號；一解調器電路，連接於高通濾波器電路，從振蕩器接收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，一從高通濾波器接收濾波後的振動位移差動信號，並提取過濾後的振動位移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣性質量塊的 I 位移信號；一低通濾波器，連接於解調器電路，從輸入的慣性質量塊位移信號令除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量塊位移丨信號； ! 一模擬數字轉換器，連接於低通濾波器，用以將模擬 \ 低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性質量塊位移信號者。 16.如申請專利範圍第10項所述之「角速率產生器」，其中1該振動控制電路進一步包含：一阻抗轉換放大器電路，連接於振動型角速率檢測單元，用以把振動運動信號的阻抗，從很高的水平，大於 | 1 0 0兆歐姆，轉換為低阻抗，小於1 0 0歐姆，以便獲得兩路振動位移信號，其表示慣性質量塊和錨梳之間位移的交流

第36頁 4 6 63 3 4 六、申請專利範圍電壓信號； | 一放大器和加法器電路，連接於的阻抗轉換放大器電路，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提高靈敏度， ! |通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相減，來結合兩路振動位移信號，以形成振動位移差動信號；一高通濾波器電路，連接於放大器和加法器電路，以便從振動位移差動信號中除去殘餘振動驅動信號和噪聲，產生過濾後的振動位移差動信號；一解調器電路，連接於高通濾波器電路，從振蕩器接收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，一從高通濾波器接收濾波後的振動位移差動信號，並提取過濾後的振動位| 移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣性質量塊的 i位移信號；；一低通濾波器，連接於解調器電路，從输入的慣性質 i量塊位移信號中除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量塊位移i I 丨信號；丨一模擬數字轉換器，連接於低通濾波器，用以將模擬低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性質量塊位移信號者。 17.如申請專利範圍第11項所述之「角速率產生器」，其中，該振動控制電路進一步包含：一阻抗轉換放大器電路，連接於振動型角速率檢測單元，用以把振動運動信號的阻抗，從彳艮高的水平，大於 1 0 0兆歐姆，轉換為低阻抗，小於1 0 0歐姆，以便獲得兩路

第37頁 4 6 63 3 ^ I六、申請專利範圍振動位移信號，其表示慣性質量塊和錨梳之間位移的交流電壓信號；一放大器和加法器電路，連接於的阻抗轉換放大器電路，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提高靈敏度，通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相減，來結合兩路振動位移信號，以形成振動位移差動信號； I 一高通濾波器電路，連接於放大器和加法器電路，以便從振動位移差動信號中除去殘餘振動驅動信號和嗓聲，產生過濾後的振動位移差動信號；一解調器電路，連接於高通濾波器電路，從振蕩器接 j收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，一從高通濾波器接收濾波後的振動位移差動信號，並提取過濾後的振動位移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣性質量塊的 I i位移信號； ! 一低通濾波器，連接於解調器電路，從輸入的慣性質量塊位移信號中除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量塊位移信號； . 一模擬數字轉換器，連接於低通濾波器，用以將模擬丨低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性質量塊位移信號者。 18.如申請專利範圍第12項所述之「角速率產生器」，其中，該振動控制電路進一步包含：一阻抗轉換放大器電路，連接於振動型角速率檢測單元，用以把振動運動信號的阻抗，從很高的水平，大於

第38頁 ,〇3 3 4 ! I六、申請專利範圍 1 0 0兆歐姆，轉換為低阻抗，小於1 0 0歐姆，以便獲得兩路振動位移信號，其表示慣性質量塊和錨梳之間位移的交流電壓信號；一放大器和加法器電路，連接於的阻抗轉換放大器電丨路，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提高靈敏度，I 通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相減，來結合兩路振動位移信號，以形成振動位移差動信號；一高通濾波器電路，連接於放大器和加法器電路，以便從振動位移差動信號中除去殘餘振動驅動信號和噪聲，產生過濾後的振動位移差動信號； —解調器電路，連接於高通濾波器電路，從振蕩器接：收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，一從高通濾波器接收濾波後的振動位移差動信號，並提取過濾後的振動位 !移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣性質量塊的位移信號； : 一低通濾波器，連接於解調器電路，從輸入的慣性質 j量塊位移信號中.除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量塊位移信號；一模擬數字轉換器I連接於低通濾波器，用以將模擬低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性質量塊位移信號者。 19.如申請專利範圍第13項所述之「角速率產生器」，其 | 中，該振動控制電路進一步包含：一阻抗轉換放大器電路，連接於振動型角速率檢測單

第39頁 4 6 63 3 4 六、申請專利範圍丨元，用以把振動運動信號的阻抗，從很高的水平，大於 i 100兆歐姆，轉換為低阻抗，小於100歐姆，以便獲得兩路 i振動位移信號，其表示慣性質量塊和錨梳之間位移的交流電壓信號； ; 一放大器和加法器電路，連接於的阻抗轉換放大器電路，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提高靈敏度， i通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相減，來結合兩 i路振動位移信號，以形成振動位移差動信號；一高通濾波器電路，連接於放大器和加法器電路，以便從振動位移差動信號中除去殘餘振動驅動信號和噪聲，產生過濾後的振動位移差動信號； I 一解調器電路，連接於高通濾波器電路，從振蕩器接收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，一從高通濾波器接收濾波後的搌動位移差動信號，並提取過濾後的振動位 '移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣性質量塊的位移信號；一低通濾波器，連接於解調器電路，從輸入的慣性質量塊位移信號中除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量塊位移丨信號；一模擬數字轉換器，連接於低通濾波器，用以將模擬低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性質量塊位移信號者。 20,如申請專利範圍第14項所述之「角速率產生器」，其中，該振動控制電路進一步包含：

第40頁 4 b 63 3 4 六、申請專利範圍 j 一阻抗轉換放大器電路，連接於振動型角速率檢測單元，用以把振動運動信號的阻抗，從很高的水平，大於 1 0 0兆歐姆，轉換為低阻抗，小於1 0 0歐姆，以便獲得兩路振動位移信號，其表示慣性質量塊和=錨梳之間位移的交流電壓信號：一放大器和加法器電路，連接於的阻抗轉換放大器電 i路，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提高靈敏度， i通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相減，來結合兩 i路振動位移信號，以形成振動位移差動信號； I 一高通濾波器電路，連接於放大器和加法器電路，以便從振動位移差動信號中除去殘餘振動驅動信號和噪聲，產生過潘後的振動位移差動信號；一解調器電路，連接於高通濾波器電路，從振蕩器接收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，一從高通濾波器丨接收濾波後的振動位移差動信號，並提取過濾後的振動位 ;移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣性質量塊的丨 |位移信號；一低通濾波器，連接於解調器電路，從輸入的慣性質i 量塊位移信號中除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量塊位移信號；一模擬數字轉換器，連接於低通濾波器，用以將模擬i 低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性質量塊位移信號者。 21.如申請專利範圍第1項所述之「角速率產生器j ，其 lE^II iE^II 第41頁 3 3 4 I六、申請專利範圍中，該振動型角速率檢測單元中的慣性質量塊的振動是由具有精確幅度的高頻正弦信號驅動的者。 | 22.如申請專利範圍第20項所述之「角速率產生器」，其 |中，該振動型角速率檢測單元中的慣性質量塊的振動是由 i具有精確幅度的高頻正弦信號驅動的者。 23.如申請專利範圍第20項所述之「角速率產生器」，其中，該數字化低頻慣性質量塊位移信號，被首先通過離散 I快速富立埃變換，表達在頻譜上，其中，離散快速富立埃 |變換是計算離散富立埃變換的有效算法，它極大地降低了 |離散富立埃變換的計算量，離散富立埃變換用來近似表達 |離散信號的富立埃變換者。 | 24.如申請專利範圍第23項所述之「角速率產生器」，其 |中，將數字化低頻慣性質量塊位移信號，通過離散快速富 !立埃變換表達在頻譜上後，Q分析被應用在頻譜上，以便 I確定具有全局最大Q值的頻率，Q值是慣性質量塊的基本幾何尺度、材料特性及環境條件的函數，振動型角速率檢測 :單元的慣性質量塊振動在具有全局最大Q值的頻率上，可 I 1 i降低功率消耗，取消許多影響激勵模式的因素者。 25. 如申請專利範圍第24項所述之「角速率產生器」，其 |中，進一步包含一鎖相環路和數字模擬轉換器近一步用來 I控制和穩定選定的頻率和幅度者。 26. 如申請專利範圍第16項所述之「角速率產生器」，其中，為了找到具有最大Q值的頻率，該數字處理系統近一步包含：

第42頁 33 3 4 I六、申請專利範圍 ‘一離散快速富里葉變換（FFT)模塊，變換來自振動運動控制電路的模擬數字轉換器的數字化的低頻慣性質量塊的位移信號，以便形成輸入慣性質量塊位移信號的頻譜上 |的幅度數據； ! 一頻率和幅度數據存儲陣模堍，接收幅度和頻譜數 I據，以形成一個幅度和頻譜數據陣； ! 一最大值檢測邏輯模塊，將來自幅度和頻譜數據陣的頻譜 I數據陣的頻譜分割為一些頻譜段，並從當地頻譜段中選擇出具有最大幅度的頻率；一Q值分析和選擇邏輯模塊，在選出的頻率上進行Q 值分析，通過計算幅度和頻帶寬度的比值，選擇頻率和幅度，其中，計算用的頻帶寬度取每一個最大頻率點最大值的正負二分之一之間者。 27.如申請專利範圍第18項所述之「角速率產生器」，其 |中，為了找到具有最大Q值的頻率，該數字處理系統近一 i步包含：一離散快速富里葉變換（FFT)模塊，變換來自振動運動控制電路的模擬數字轉換器的數字化的低頻慣性質量塊的位移信號，以便形成輸入慣性質量塊位移信號的頻譜上的幅度數據；一頻率和幅度數據存儲陣模塊，接收幅度和頻譜數據，以形成一個幅度和頻譜數據陣；一最大值檢測邏輯模塊，將來自幅度和頻譜數據陣的頻譜數據陣的頻譜分割為一些頻譜段，並從當地頻譜段t

第43頁 4 〇 63 3 4 六、申請專利範圍選擇出具有最大幅度的頻率；一 Q值分析和選擇邏輯模塊，在選出的頻率上進行Q值分析，通過計算幅度和頻帶寬度的比值，選擇頻率和幅度，其中，計算用的頻帶寬度取每一個最大頻率點最大值的正負二分之一之間者。 28. 如申請專利範圍第20項所述之「角速率產生器」，其中，為了找到具有最大Q值的頻率，該數字處理系統近一步包含：一離散快速富里葉變換（FFT)模塊，變換來自振動運動控制電路的模擬數字轉換器的數字化的低頻慣性質量塊的位移信號，以便形成輪入慣性質量塊位移信號的頻譜上的幅度數據；一頻率和幅度數據存儲陣模塊，接收幅度和頻譜數據，以形成一個幅度和頻譜數據陣；一最大值檢測邏輯模塊，將來自幅度和頻譜數據陣的頻譜數據陣的頻譜分割為一些頻譜段，並從當地頻譜段中選擇出具有最大幅度的頻率；一Q值分析和選擇邏輯模塊，在選出的頻率上進行Q值分析，通過計算幅度和頻帶寬度的比值，選擇頻率和幅度，其中，計算用的頻帶寬度取每一個最大頻率點最大值的正負二分之一之間者。 29. 如申請專利範圍第8項所述之「角速率產生器」，其中，該數字處理系統進一步包含一個鎖相環，用作一個很窄的帶通濾波器，以排斥所選頻率的嗓聲及產生並鎖定選第44頁 4 6 63 3 4 i六、申請專利範圍定頻率的振動驅動信號者。 30. 如申請專利範圍第26項所述之「角速率產生器」，其中，該數字處理系統進一步包含一個鎖相環，用作一個很窄的帶通濾波器，以排斥所選頻率的嗓聲及產生並鎖定選丨定頻率的振動驅動信號者。 31. 如申請專利範圍第27項所述之「角速率產生器」，其中，該數字處理系統進一步包含一個鎖相環，用作一個很窄的帶通濾波器，以排斥所選頻率的噪聲及產生並鎖定選定頻率的振動驅動信號者。 32. 如申請專利範圍第28項所述之「角速率產生器」，其中，該數字處理系統進一步包含一個鎖相環，用作一個彼 t 窄的帶通濾波器，以排斥所選頻率的噪聲及產生並鎖定選丨33.如申請專利範圍第8項所述之「角速率產生器」，其丨中1該數字處理系統進一步包含一個數字模擬轉換器對所丨選的信號的幅度進行處理，以便形成具有正確幅度的振動 I 丨驅動信號和一放大器，基於正確的頻率和幅度的振動驅動 |信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信號者。 34.如申請專利範圍第26項所述之「角速率產生器」，其中，該數字處理系統進一步包含一個數字模擬轉換器對所選的信號的幅度進行處理，以便形成具有正確幅度的振動i 驅動信號和一放大器，基於正確的頻率和幅度的振動驅動信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信號

第45頁 4 6 63 3 4 f~ ' " ' " ~ * " ' " ' ~ 六、申請專利範圍 ' 者。 35. 如申請專利範圍第27項所述之「角速率產生器」，其 I中，該數字處理系統進一步包含一個數字模擬轉換器對所 I I選的信號的幅度進行處理，以便形成具有正確幅度的振動驅動信號和一放大器，基於正確的頻率和幅度的搌動驅動信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動駆動信號者。 36. 如申請專利範圍第28項所述之「角速率產生器」，其中，該數字處理系統進一步包含一個數字模擬轉換器對所還的信號的幅度進行處理，以便形成具有正確幅度的振動驅動信號和一放大器，基於正確的頻率和幅度的振動驅動信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信號者。 I 37.如申請專利範圍第30項所述之「角速率產生器」，其：中，該數字處理系統進一步包含一個數字模擬轉換器對所 |選的信號的幅度進行處理，以便形成具有正確幅度的振動丨驅動信號和一故大器，基於正確的頻率和幅度的振動驅動信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信號者。 38.如申請專利範圍第31項所述之「角速率產生器」，其中，該數字處理系統進一步包含一個數字模擬轉換器對所選的信號的幅度進行處理，以便形成具有正確幅度的振動驅動信號和一放大器，基於正確的頻率和幅度的振動驅動信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信號

第46頁 4 6 6 3 3 4- 丨六、申請專利範圍丨者。 39. 如申請專利範圍第32項所述之「角速率產生器」，其中，該數字處理系統進一步包含一個數字模擬轉換器對所選的信號的幅度進行處理，以便形成具有正確幅度的振動 i驅動信號和一放大器，基於正確的頻率和幅度的振動驅動 I . 信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信號者。 40. 如申請專利範圍第13項所述之「角速率產生器」，其中，該角信號回路電路進一步包含：一放大和加法器電路，連接於振動型角速率檢測單元力扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號倍以上，以增強其靈敏度；一高通濾波器電路，連接於放大和加法器電路，除去 I放大後的扭力矩信號中殘留的振動信號和噪聲，形成過濾I ! ! 丨後的扭力矩驅動差分信號；丨 I 一解調器，連接於高通濾波器電路，接收來自來自振丨 I ：蕩器的參考拾取信號，以及來自高通濾波器電路的過濾後I 的扭力矩驅動差分信號，提取過濾後的扭力矩驅動差分信號中的同相部分，產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率i 信號；一低通濾波器，連接於解調器，用以去除以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻嗓聲，形成低頻的慣性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者。 41. 如申請專利範圍第14項所述之「角速率產生器」，其

第47頁 Λ 6 6 3 3 4 六、申請專利範圍中，該角信號回路電路進一步包含：一放大和加法器電路，連接於振動型肖速率檢測單元的扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號倍以上，以增強其靈敏度；一高通濾波器電路，連接於放大和加法器電路，除去放大後的扭力矩信號令殘留的振動信號和噪聲，形成過濾後的扭力矩驅動差分信號；一解調器，連接於高通濾波器電路，接收來自來自振蕩器的參考拾取信號，以及來自高通遽波器電路的過慮後的担力矩驅動差分信號，提取過慮後的扭力矩驅動差分信號中的同相部分，產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號； i 一低通濾波器，連接於解調器，用以去除以知相位的 !慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻噪聲，形成低頻的慣 !性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者。 42.如申請專利範圍第19項所述之「角速率產生器」，其；中，該角信號回.路電路進一步包含：丨一放大和加法器電路，連接於振動型角速率檢測單元 |的扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號倍以上，以增強其靈敏度；一高通濾波器電路，連接於放大和加法器電路，除去放大後的扭力矩信號中殘留的振動信號和噪聲，形成過遽後的扭力矩驅動差分信號；一解調器，連接於高通濾波器電路，接收來自來自振

第48頁 4 6 Γ3 3 4 六、申請專利範圍蕩器的參考拾取信號，以及來自高通濾波器電路的過濾後的扭力矩驅動差分信號，提取過濾後的扭力矩驅動差分信號中的同相部分，產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號；一低通濾波器，連接於解調器，用以去除以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻噪聲，形成低頻的慣性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者° 43. 如申請專利範圍第20項所述之「角速率產生器」，其中，該角信號回路電路進一步包含：一放大和加法器電路，連接於振動型角速率檢測單元的扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號倍以上，以增強其靈敏度；一高通濾波器電路，連接於放大和加法器電路，除去放大後的扭力矩信號中殘留的振動信號和噪聲，形成過濾後的扭力矩驅動差分信號； ϊ I 一解調器，連接於高通濾波器電路，接收來自來自振 I蕩器的參考拾取信號，以及來自高通濾波器電路的過濾後的扭力矩驅動差分信號，提取過濾後的扭力矩驅動差分信號中的同相部分，產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號；一低通濾波器，連接於解調器，用以去除以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻嗓聲，形成低頻的慣性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者。 44. 如申請專利範圍第23項所述之「角速率產生器」，其

第49頁 4 6 t3 3 4 六、申請專利範圍 . 中，該角信號回路電路進一步包含：一放大和加法器電路，連接於振動型角速率檢測單元丨的扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號倍以上，以增 I強其靈敏度；一高通濾波器電路，速接於放大和加法器電路，除去 i放大後的扭力矩信號中殘留的振動信號和噪聲，形成過濾 i後的扭力矩驅動差分信號；一解調器，連接於高通濾波器電路，接收來自來自振蕩器的參考拾取信號，以及來自高通濾波器電路的過濾後的扭力矩驅動差分信號，提取過濾後的扭力矩驅動差分信號中的同相部分，產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號；一低通濾波器，連接於解調器，用以去除以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻噪聲，形成低頻的慣 j i性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者。 45.如申請專利範圍第28項所述之「角速率產生器」，其中，該角信號回-路電路進一步包含：一放大和加法器電路，連接於振動型角速率檢測單元的扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號倍以上，以增強其靈敏度； —高通濾波器電路，連接於放大和加法器電珞，除去放大後的扭力矩信號中殘留的振動信號和噪聲，形成過濾後的扭力矩驅動差分信號；一解調器，連接於高通濾波器電路，接收來自來自振

第50頁：：^ 33 3 4 I---~— ^~~ J |六、申請專利範圍蕩器的參考拾取信號，以及來自高通濾波器電路的過濾後的扭力矩驅動差分信號，提取過濾後的扭力矩驅動差分信號中的同相部分t產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號；一低通濾波器，連接於解調器，用以去除以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻噪聲，形成低頻的慣性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者D 46. 如申請專利範圍第32項所述之「角速率產生器」，其中，該角信號回路電路進一步包含：一放大和加法器電路，連接於振動型角速率檢測單元的扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號倍以上，以增強其靈敏度； I 一高通濾波器電路，連接於放大和加法器電路，除去 i放大後的扭力矩信號中殘留的振動信號和噪聲，形成過濾丨後的扭力矩驅動差分信號； i ' , 一解調器，連接於高通濾波器電路，接收來自來自振 |蕩器的參考拾取信號，以及來自高通濾波器電路的過濾後丨的扭力矩驅動差分信號，提取過濾後的扭力矩驅動差分信 |號中的同相部分，產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號；一低通濾波器，連接於解調器，用以去除以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻噪聲，形成低頻的慣性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者。 47. 如申請專利範圍第36項所述之「角速率產生器」，其

第51頁 466334 I六、申請專利範圍中，該肖信號回路電路進一步包含：一放大和加法器電路，連接於振動型角速率檢測單元的扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號倍以上，以增強其靈敏度；一高通濾波器電路，連接於放大和加法器電路，除去放大後的扭力矩信號_殘留的搌動信號和噪聲，形成過濾後的扭力矩驅動差分信號；一解調器，連接於高通濾波器電路，接收來自來自振蕩器的參考拾取信號，以及來自高通濾波器電路的過濾後的扭力矩驅動差分信號，提取過濾後的扭力矩驅動差分信號中的同相部分，產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號；一低通濾波器，連接於解調器，用以去除以知相位的 |慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻噪聲，形成低頻的慣 i性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者。 I I 48.如申請專利範圍第39項所述之「角速率產生器」，其 |中，該角信號回.路電路進一步包含：一放大和加法器電路，連接於振動型角速率檢測單元的扭力矩信號放大器，以便放大扭力矩信號倍以上，以增強其靈敏度；一高通濾波器電路，連接於放大和加法器電路，除去放大後的扭力矩信號中殘留的振動信號和噪聲，形成過濾後的扭力矩驅動差分信號；一解調器，連接於高通濾波器電路，接收來自來自振

第52頁 if j 63 3 4 六、申請專利範圍蕩器的參考拾取信號，以及來自高通濾波器電路的過濾後的扭力矩驅動差分信號，提取過濾後的扭力矩驅動差分信號中的同相部分，產生以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號；一低通濾波器，連接於解調器，用以去除以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號中的高頻噪聲，形成低頻的慣性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者。 49. —種用來測量載體的角速率的角速率產生處理過程，包含： (a )接收振動驅動能量，保持在一振動型角速率檢測單元中的至少一套慣性質量塊慣性質量塊振動的動量的恆定，產生相對於載體角速率角速率的受角速率激勵的信號，以及慣性質量塊的振動運動信號； (b)在一接口電路中|轉換將來自振動型角速率檢測單元的受角速率激勵的信號成為角速率信號，並將來自振 :動型角速率檢測單元的慣性質量塊的振動運動信號變換為丨相位已知的慣性質量塊的位移數字信號；： (c )在數字處理系統，輸入慣性質量塊的位移數字信丨號，產生提供一振動驅動信號，給振動型角速率檢測單元，以便鎖定振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的高質量的振動頻率和幅度者。 50. 如申請專利範圍第49項所述之「角速率產生處理過程」，其中，該角速率檢測單元是振動型角速率檢測單元，檢測載體的角速率，輸出正比於角速率和扭力矩信號

第53頁 4 b 63 3 4 六'申請專利範圍 I 的受角速率激勵的電壓信號者。 51. 如申讀'專利範圍第49項所述之「角速’率產生處理過程」，其中，該步驟（c)包含： I | ( c - 1 )接收來自接口電路的已知相位的慣性質量塊位移數字信號，搜索具有最高質量因子Q值的頻率； (c_2)鎖定該頻率：及 (c-3)鎖定幅度，產生振動驅動信號，包括具有精確幅度的高頻正弦信號，給轴振動型角速率檢測單元，以便使慣性質量塊振動在預定的諧振頻率下者。 52. 如申請專利範圍第50項所述之「角速率產生處理過程」，其中，該步驟（b)包含： (b-Ι)由一振蕩器，提供參考拾取信號； j (b-2)由一振動控制電路，接收來自振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的振動位移信號，以及來自振蕩器的 I參考拾取信號，產生已知相位的慣性質量塊的位移信號；丨及 (b-3)由一角信號回路電路，接收來自振動型角速率 i |檢測單元的受角速率激勵的信號，以及來自振蕩器的參考 |拾取信號，將受角速率激勵變換為角速率信號者。 i 53.如申請專利範圍第51項所述之「角速率產生處理過程」，其中，該步驟（b)包含： (b-Ι)由一振蕩器，提供參考拾取信號； (b-2)由一振動控制電路，接收來自振動型角速率檢測單元的慣性質量塊的振動位移信號，以及來自振蕩器的

第54頁 4 b 63 3 4 六、申請專利範圍參考拾取信號，產生已知相位的慣性質量塊的位移信號；及 | (b-3)由一角信號回路電路，接收來自振動型角速率 i檢測單元的受角速率激勵的信號，以及來自振蕩器的參考 |拾取信號，將受角速率激勵變換為角速率信號者。 54.如申請專利範圍第53項所述之「角速率產生處理過 |程」，其中，該步驟（b - 3)包含： (b-3-l)由一高通濾波器電路連接於振動型角速率檢測單元，接收受角速率激勵的信號，該信號是來自振動型角速率檢測單元的AC電壓信號，除去其f的低頻噪聲，形成過濾後的受角速率激勵的信號； (b-3-2)由一電壓放大器電路，放大過濾後的受角速率激勵的信號到至少100毫伏，形成放大的受角速率激勵 i的·信號； (b-3-3)由一放大和加法器電路，提取放大後的角速 |率信號的差異，以產生差動的角速率信號； I (b-3-4)由一解調器連接於放大和加法器電路，從差 I ;動的角速率信號和從振蕩器來的電容讀出激勵信號中，提 I取同相差動角速率信號的幅度； (b-3-5)由一低通濾波器連接於解調器，去除同相差 |動角速率信號的幅度信號的高頻噪聲，以形成角速率信號輸出者。 55.如申請專利範圍第54項所述之「角速率產生處理過程」，其中，在該步驟（b-3)之後進一步包含：

第55頁 4 6 63 3 4 六、申請專利範圍 (b-3-6)由連接與低通濾波器的一積分器，積分角速率信號，形成位移恢復信號； (b-3-7)由一連接與積分器的驅動放大器，放大位移恢復信號，形成一驅動信號，包括一扭力矩信號，輸出給振動型角速率檢測單元，以便將振動型角速率檢測單元的慣性質量塊保持在零位置者。 i 56.如申請專利範圍第53項所述之「角速率產生處理過 i程」，其中，該步驟（b-2)包含： (b-2-l)由一阻抗轉換放大器電路，連接於振動型角速率檢測單元，把振動運動信號的阻抗，從很高的水平，大於1 0 0兆歐姆，轉換為低阻抗，小於1 0 0歐姆，以便獲得兩路振動位移信號，其表示慣性質量塊和錨梳之間位移的交流電壓信號； I (b-2-2)由一放大器和加法器電路，連接於的阻抗轉換放大器電路，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提高靈敏度，通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相減，來結合兩路振動位移信號，以形成振動位移差動信 ϊίζ,， (b-2-3)由一高通濾波器電路，連接於放大器和加法器電路，從振動位移差動信號中除去殘餘振動驅動信號和噪聲，產生過濾後的振動位移差動信號； (b-2-4)由一解調器電路，連接於高通濾波器電路，從振蕩器接收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，從高通濾波器接收濾波後的振動位移差動信號，並提取過濾後

第56頁 4 6 6 3 3 4 丨六、申請專利範圍 | I的振動位移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣性質量塊的位移信號： (b-2-5)由一低通濾波器τ連接於解調器電路，從輸丨入的慣性質量塊位移信號中除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量塊位移信號； (b-2-6)由一模擬數字轉換器，連接於低通濾波器， |將模擬低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性質量塊位移信號者。 57.如申請專利範圍第54項所述之「角速率產生處理過 |程」，其中，該步驟（b-2)包含： (b-2-l)由一阻抗轉換放大器電路，連接於振動型角速率檢測單元，把振動運動信號的阻抗，從很高的水平，大於1 0 0张歐姆，轉換為低阻抗，小於1 0 0歐姆，以便獲得丨兩路振動位移信號，其表示慣性質量塊和錨梳之間位移的 j 交流電壓信號； (b-2-2)由一放大器和加法器電路，連接於的阻抗轉 i換放大器電路，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提丨高靈敏度，通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相 |減 > 來結合兩路振動位移信號，以形成振動位移差動信號； i (b_2-3)由一高通濾波器電珞，連接於放大器和加法器電路，從振動位移差動信號中除去殘餘振動驅動信號和噪聲，產生過濾後的振動位移差動信號； (b-2-4)由一解調器電路，連接於高通濾波器電路，

第57頁 6 63 3 4 i六、申請專利範圍從振蕩器接收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，從高通濾波器接收濾波後的振動位移差動信號，並提取過濾後的振動位移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣性質量塊的位移信號； | (b-2-5)由一低通濾波器，連接於解調器電路，從輸 i入的慣性質量塊位移信號中除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量塊位移信號； (b - 2 - 6 )由一模擬數字轉換器，連接於低通濾波器，將模擬低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性質量塊位移信號者。 58.如申請專利範圍第55項所述之「角速率產生處理過程」，其中，該步驟（b-2)包含： (b-2-l)由一阻抗轉換放大器電路，連接於振動型角丨速率檢測單元，把振動運動信號的阻抗，從很高的水平， |大於1〇〇兆歐姆，轉換為低阻抗，小於1〇〇歐姆，以便獲得兩路振動位移信號，其表示慣性質量塊和錨梳之間位移的交流電壓信號；. | (b-2-2)由一放大器和加法器電路，連接於的阻抗轉 i換放大器電路，把兩路振動位移信號放大十倍以上，以提高靈敏度，通過把中心錨梳的信號與旁邊錨梳的信號相減，來結合兩路振動位移信號，以形成振動位移差動信 * (b-2-3)由一高通遽波器電路，連接於放大器和加法器電路，從振動位移差動信號令除去殘餘振動驅動信號和

第58頁 i； b 〇 3 3 4 丨六、申請專利範圍嗓聲，產生過濾後的振動位移差動信號； (b-2-4)由一解調器電路，連接於高通濾波器電路，從振蕩器接收電容檢出激勵信號作為相位參考信號，從高通濾波器接收濾波後的振動位移差動信號，並提取過濾後的振動位移差動信號的同相部分用以產生已知相位的慣性質量塊的位移信號； (b-2-5)由一低通濾波器，連接於解調器電路，從輸入的慣性質量塊位移信號中除去高頻噪聲，形成低頻慣性質量塊位移信號； (b-2-6)由一模擬數字轉換器，連接於低通濾波器，將模擬低頻慣性質量塊位移信號，轉換為數字化低頻慣性I 質量塊位移信號者。 59. 如申請專利範圍第58項所述之「角速率產生處理過 :程」，其中，該數字化低頻慣性質量塊位移信號，被首先 I ; ;通過離散快速富立埃變換，表達在頻譜上，其中，離散快速富立埃變換是計算離散富立埃變換的有效算法，它極大地降低了離散富.立埃變換的計算量，離散富立埃變換用來近似表達離散信號的富立埃變換者。 60. 如申請專利範圍第59項所述之「角速率產生處理過程」，其中，進一步包含一步驟：控制和穩定選定的頻率和幅度者。 61. 如申請專利範圍第50項所述之「角速率產生處理過程」，其中，該步驟（c-1)包含： (3-1-1)變換來自振動運動控制電路的模擬數字轉換第59頁 6 63 3 4 ;六、申請專利範圍 !器的數字化的低頻慣性質量塊的位移信號，以便形成輸入 ! · i慣性質量塊位移信號的頻譜上的幅度數據； (3-1-2)接收幅度和頻譜數據，以形成一個幅度和頻譜數據陣； (3-1-3)將來自幅度和頻譜數據陣的頻譜數據陣的頻譜分割為一些頻譜段，並從當地頻譜段中選擇出具有最大幅度的頻率； (3-1-4)在選出的頻率上進行Q值分析，通過計算幅度和頻帶寬度的比值，選擇頻率和幅度，其中，計算用的頻帶寬度取每一個最大頻率點最大值的正負二分之一之間者。 62.如申請專利範圍第58項所述之「角速率產生處理過程」，其中，該步驟（c-1)包含： ! (3-1-1)變換來自振動運動控制電路的模擬數字轉換 I I器的數字化的低頻慣性質量塊的位移信號，以便形成輸入 ;慣性質量塊位移信號的頻譜上的幅度數據： I (3-1-2)接收幅度和頻譜數據，以形成一個幅度和頻譜數據陣； I (3-1-3)將來自幅度和頻譜數據陣的頻譜數據陣的頻譜分割為一些頻譜段，並從當地頻譜段中選擇出具有最大幅度的頻率； (3-1-4)在選出的頻率上進行Q值分析，通過計算幅度. 和頻帶寬度的比值，選擇頻率和幅度，其中，計算用的頻帶寬度取每一個最大頻率點最大值的正負二分之一之間

第60頁 4 “3 3 4_ 六、申請專利範圍者。 63. 如申請專利範圍第61項所述之「角速率產生處理過程」，其中，該步驟（3-2)進一步包含一步驟（3-2-1):排斥所選頻率的噪聲，及產生並鎖定選定頻率的振動驅動信號者。 64. 如申請專利範圍第62項所述之「角速率產生處理過程」，其令，該步驟（3 - 2)進一步包含一步驟（3-2-1):排斥所選頻率的噪聲，及產生並鎖定選定頻率的振動驅動信號者。 65. 如申請專利範圍第61項所述之「角速率產生處理過程」，其中，該步驟（3-2)進一步包令—步驟：由一個數字模擬轉換器對所選的信號的幅度進行處理，形成具有正確幅度的搌動驅動信號，基於正確的頻率和幅度的振動驅丨動信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信 :號者。 66. 如申請專利範圍第62項所述之「角速率產生處理過 i程」，其中，談步驟（3-2)進一步包含一步驟：由一個數 i字模擬轉換器對所選的信號的幅度進行處理，形成具有正 j 確幅度的振動驅動信號，基於正確的頻率和幅度的振動驅動信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信丨號者。 67. 如申請專利範圍第63項所述之「角速率產生處理過程」，其中，該步驟（3-2)進一步包含一步驟：由一個數字模擬轉換器對所選的信號的幅度進行處理，形成具有正

第61頁 4 6 63 3 4 六、申請專利範圍 I確幅度的振動驅動信號，基於正確的頻率和幅度的振動驅 i動信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信 !號者。 i 68.如申請專利範圍第64項所述之「角速率產生處理過 !程」，其中，該步驟（3-2)進一步包含一步驟：由一個數字模擬轉換器對所選的信號的幅度進行處理，形成具有正確幅度的振動驅動信號，基於正確的頻率和幅度的振動驅動信號，為振動型角速率檢測單元產生和放大振動驅動信號者。 69.如申請專利範圍第56項至第68項中任一項所述之「角速率產生處理過程」，其中該步驟（2-2)進一步包含： (bU)放大扭力矩信號倍以上，以增強其靈敏度；i ! (b-2-8 )除去放大後的扭力矩信號中殘留的搌動信號 | i和噪聲，形成過濾後的扭力矩驅動差分信號； (b-2-9)接收來自來自振蕩器的參考拾取信號，以及： ;來自高通濾波器電路的過濾後的扭力矩驅動差分信號，提| 取過濾後的扭力.矩驅動差分信號t的同相部分，產生以知 |相位的慣性質量塊的旋轉速率信號； ! (b-2-10)去除以知相位的慣性質量塊的旋轉速率信號 t的高頻噪聲，形成低頻的慣性質量塊的旋轉速率信號，作為角速率信號輸出者。

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