[發(fā)明專利]微機(jī)電陀螺及用于控制微機(jī)電陀螺的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010242008.0
• 申請日: 2010-06-03
• 公開（公告）號: CN101922934A
• 公開（公告）日: 2010-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: L·普蘭迪;C·卡米納達(dá)
• 申請（專利權(quán)）人: 意法半導(dǎo)體股份有限公司
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 王茂華;唐文靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及具有位置控制驅(qū)動(dòng)的微機(jī)電陀螺以及用于控制微機(jī)電陀螺的方法。

背景技術(shù)

公知的，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的使用已經(jīng)在各種技術(shù)領(lǐng)域日益普遍，并取得了鼓舞人心的成效，尤其在大范圍應(yīng)用的慣性傳感器、微集成陀螺以及機(jī)電振蕩器的構(gòu)建上。

這種類型的MEMS通常基于包括通過彈簧與固定體(定子)連接并且可以按照預(yù)定自由度相對于該定子運(yùn)動(dòng)的至少一個(gè)活動(dòng)質(zhì)量塊的微機(jī)電結(jié)構(gòu)。并且該活動(dòng)質(zhì)量塊通過電容結(jié)構(gòu)(電容器)與固定體相耦合。該活動(dòng)質(zhì)量塊相對于固定體的運(yùn)動(dòng)，例如由于外力導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)，會(huì)改變電容器的電容，從而有可能反過來獲得活動(dòng)質(zhì)量塊相對于固定體的相對位移，并且因此反過來獲得所施加的力。反之亦然，通過提供合適的偏置電壓，可以向活動(dòng)質(zhì)量塊施加靜電力從而使其運(yùn)動(dòng)。此外，為了獲得機(jī)電振蕩器，利用了慣性MEMS結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)，該頻率響應(yīng)通常是二階低通型的。

許多MEMS(尤其是，所有的機(jī)電振蕩器及陀螺)必須設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置的任務(wù)是維持活動(dòng)質(zhì)量塊的振動(dòng)。

第一種已知解決方案設(shè)計(jì)以開環(huán)方式以MEMS結(jié)構(gòu)的諧振頻率施加周期作用力。該解決方案簡單，但是效率很低，因?yàn)橛捎诎雽?dǎo)體微機(jī)械加工中不可消除的分布寬度(spread)導(dǎo)致無法精確知曉諧振頻率。此外，各單個(gè)器件的諧振頻率可能隨時(shí)間變化，例如由于溫度梯度或者更簡單地由于老化而變化。

后來，已經(jīng)提出了基于利用西格馬-德爾塔(sigma-delta)調(diào)制器的反饋驅(qū)動(dòng)電路。這種電路在將活動(dòng)質(zhì)量塊的振動(dòng)穩(wěn)定在真實(shí)諧振頻率以及抑制擾動(dòng)方面毫無疑問比以前的解決方案更有效。然而，需更有各種級來對西格馬-德爾塔調(diào)制器提供的比特流進(jìn)行濾波、抽樣(decimation)以及進(jìn)一步處理。為此，當(dāng)前可用的反饋驅(qū)動(dòng)電路制造復(fù)雜、麻煩，并且實(shí)踐成本高。

此外，必須考慮的是陀螺具有復(fù)雜的機(jī)電結(jié)構(gòu)，其包括兩個(gè)質(zhì)量塊，這兩個(gè)質(zhì)量塊可以相對于定子運(yùn)動(dòng)并且彼此耦合從而具有一個(gè)相對自由度。兩個(gè)活動(dòng)質(zhì)量塊都與定子電容性地耦合。其中一個(gè)活動(dòng)質(zhì)量塊致力于驅(qū)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊)并保持以諧振頻率進(jìn)行振動(dòng)。另一活動(dòng)質(zhì)量塊(檢測質(zhì)量塊)被帶入振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且在微結(jié)構(gòu)相對于預(yù)定軸以某個(gè)角速度旋轉(zhuǎn)的情況下，遭受與該角速度本身成正比的科里奧利(Coriolis)力。實(shí)踐中，檢測質(zhì)量塊用作加速度計(jì)，其使得能夠檢測科里奧利加速度。

為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)并提供其中傳感器執(zhí)行具有低通型二階傳遞函數(shù)和高品質(zhì)因數(shù)的頻率選擇放大器的角色的機(jī)電振蕩器，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊被提供有兩種類型的差分電容結(jié)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)檢測電極。驅(qū)動(dòng)電極的目的是通過噪聲中的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的機(jī)械諧振頻率處的譜分量產(chǎn)生的靜電力來支持活動(dòng)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向上的自振動(dòng)(self-oscillation)。驅(qū)動(dòng)檢測電極的目的是通過轉(zhuǎn)換的電荷來測量檢測質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向上的平移(translation)或旋轉(zhuǎn)的位置。

專利No.EP?1624285描述了一種用于控制陀螺振動(dòng)速率的系統(tǒng)，其包括差分讀取放大器、高通放大器、以及驅(qū)動(dòng)控制級，并以連續(xù)時(shí)間模式操作。這個(gè)系統(tǒng)，雖然操作令人滿意，然而其整體尺寸上需要改進(jìn)。

文獻(xiàn)No.EP?1959234描述了上述控制系統(tǒng)的一種改進(jìn)，其中控制環(huán)包括低通濾波器，其目的是降低寄生元件和寄生耦合作用在反饋環(huán)的總增益以及相位上的偏移和影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種微機(jī)電陀螺以及精確可靠并適于大范圍利用的用于控制微機(jī)電陀螺的方法。

根據(jù)本發(fā)明，提供一種微機(jī)電陀螺，其包括：

微結(jié)構(gòu)，具有：固定結(jié)構(gòu)、可相對于固定結(jié)構(gòu)以第一自由度按照第一驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊、以及機(jī)械地耦合到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊以便被帶入按照驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)并且可響應(yīng)于微結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)相對于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊以第二自由度按照檢測軸運(yùn)動(dòng)的檢測質(zhì)量塊；

驅(qū)動(dòng)裝置，與該微結(jié)構(gòu)一起構(gòu)成微機(jī)電環(huán)，用于保持驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊以驅(qū)動(dòng)頻率按照驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行振動(dòng)；

其特征在于：該驅(qū)動(dòng)裝置包括離散時(shí)間檢測接口和控制裝置，該離散時(shí)間檢測接口與該微結(jié)構(gòu)耦合，用于探測驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊相對于驅(qū)動(dòng)軸的位置；并且該控制裝置用于根據(jù)由檢測接口所探測的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的位置來控制微機(jī)電環(huán)的振動(dòng)振幅。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于控制微機(jī)電陀螺的方法，其包括：

提供配備有微結(jié)構(gòu)的微機(jī)電陀螺，該微結(jié)構(gòu)具有固定結(jié)構(gòu)、可相對于固定結(jié)構(gòu)以第一自由度按照第一驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊、以及機(jī)械地耦合到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊以被帶入按照驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)并且可響應(yīng)于微結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)相對于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊以第二自由度按照檢測軸運(yùn)動(dòng)的檢測質(zhì)量塊；以及

保持驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊以驅(qū)動(dòng)頻率按照驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行振動(dòng)；