[發明專利]帶有激勵力反轉的微機電陀螺儀和激勵微機電陀螺儀的方法

有效

• 申請號: 201110085692.0
• 申請日: 2011-02-16
• 公開（公告）號: CN102230800A
• 公開（公告）日: 2011-11-02
• 發明（設計）人: C·卡米納達;L·普蘭迪;A·M·里佐皮雅扎羅恩科羅尼
• 申請（專利權）人: 意法半導體股份有限公司
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華

技術領域

本發明涉及一種帶有激勵力反轉的微機電陀螺儀，以及一種激勵微機電陀螺儀的方法。?

背景技術

眾所周知，微機電系統(MEMS)的應用已經日益在各種技術領域變得普及，也獲得了振奮人心的結果，尤其是提供了用于廣泛應用的慣性傳感器、微集成陀螺儀和機電振蕩器。?

這種類型的MEMS通常基于微機電結構，其包括通過彈簧連接至固定主體(定子)并且依據預設自由度相對于該定子移動的至少一個可移動質量塊。此外，該可移動質量塊借助電容性結構(電容器)耦合至該固定主體。該可移動質量塊相對于該固定主體的運動，例如由于外應力產生的運動，改變了電容器的電容；由此，可能追溯到該可移動質量塊相對于該固定主體的相對移位，以及所施加的力。反之亦然，通過提供適當的偏置電壓，有可能在該可移動質量塊上施加靜電力以將它設置在運動狀態。此外，為了提供機電振蕩器，MEMS慣性結構的頻率響應被利用，該頻率響應典型地為二階低通型。許多MEMS(尤其是，所有機電振蕩器和陀螺儀)必須設想具有將該可移動質量塊維持在振蕩中的任務的驅動裝置。?

第一類已知解決方案設想以開環方式提供在該MEMS結構的共振頻率上的周期性的壓力。該解決方案是簡單的，但也遠非是有效的，因為由于半導體精密加工工藝中的不可消除的離差，而不能精確知道共振頻率。此外，每個分立裝置的共振頻率可能隨著時間而變化，例如，由于溫度梯度或，更簡單地，由于老化而變化。?

后來已經提出了基于sigma-delta調幅器的使用的反饋驅動電路。在?將可移動質量塊的振蕩穩定在實際共振頻率和抑制干擾方面，這種類型的電路毋庸置疑地比前面的電路更加有效。?

然而，必須有針對濾波、降頻(decimation)、以及由sigma-delta調幅器提供的對比特流的進一步處理的各個級。為此，現今可獲得的反饋驅動電路生產復雜、笨重，并且實踐中很昂貴。?

此外，應當考慮到，陀螺儀具有復雜的機電結構，其包括兩個質量塊，這兩個質量塊相對于定子可移動并且彼此耦合以致于呈現相對自由度。該兩個可移動質量塊都電容性地耦合至該定子。可移動質量塊之一致力于驅動(驅動質量塊)，并保持以共振頻率振蕩。另一個可移動質量塊(感應質量塊)在振蕩運動中被驅動，并且在該微結構相對于預定軸以一角速度旋轉的情況下，其承受正比于該角速度自身的科里奧利力。實踐中，感應質量塊作為加速計工作，使得能夠檢測科里奧利加速度。?

為了使能激勵以及提供具有二階低通式和高品質因素的傳遞函數的機電振蕩器(在其中傳感器執行頻率選擇性放大器)，該驅動質量塊配備有兩種類型的差分電容性結構：驅動電極和驅動檢測電極。該驅動電極具有通過在該驅動質量塊的機械共振頻率上的噪聲的譜分量產生的靜電力來維持該可移動質量塊在激勵方向上自振蕩的目的。該驅動檢測電極具有通過傳導電荷測量該感應質量塊在激勵方向上的平移位置或旋轉位置的目的。?

專利No.EP1624285描述了一種用于控制陀螺儀的振蕩速度的系統，其包括差分讀取放大器、高通放大器、以及以連續時間模式運行的激勵和控制級。?

文獻No.EP1959234描述了前述控制系統的一種改進，其中控制回路包括低通濾波器以便減少偏移量以及寄生分量和由操作在反饋回路的總增益和相位上的耦合帶來的影響。?

然而，在許多實例中，為了維持驅動質量塊的振蕩而施加一定強度的靜電力的需求阻止了電源電壓的降低，這與電子部分日益感受到的需求相反。?

特別地，在為了獲得維持振蕩所必需的靜電力而施加的第一電壓和用于讀取驅動質量塊的位置的第二電壓之間會出現干擾。?

如果電源電壓為低，該驅動質量塊的電壓變化可以造成在驅動質量塊與定子之間的電容性耦合上的電壓降，直到引起靜電力的反轉。隨著每個循環，驅動作用傾向于系統性地衰減，而不是維持驅動質量塊的振蕩，其不足以產生對旋轉的精確讀取。?

因此，為了補充靜電力的損失，有必要使用升壓電路(充電泵)來激勵驅動質量塊或利用大量電極來增大電容性耦合。然而，在任一情形中，從消費水平(可以抵消電源電壓中減少的事實)或者從占用面積的角度看，都存在缺陷。?

發明內容

本發明的目的是為了提供一種微機電陀螺儀和一種用于激勵微機電陀螺儀的方法，其將使得有可能克服所述的局限。?

根據本發明，提供了一種微機電陀螺儀，其包括：?

主體；?

驅動質量塊，其根據驅動軸以第一自由度相對于主體可移動，并且通過電容性耦合來耦合到所述主體；以及?