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专利名称：带有激励力反转的微机电陀螺仪和激励微机电陀螺仪的方法
技术领域：
本发明涉及一种带有激励力反转的微机电陀螺仪，以及一种激励微机电陀螺仪的方法。
背景技术：
众所周知，微机电系统(MEMQ的应用已经日益在各种技术领域变得普及，也获得了振奋人心的结果，尤其是提供了用于广泛应用的惯性传感器、微集成陀螺仪和机电振荡
ο这种类型的MEMS通常基于微机电结构，其包括通过弹簧连接至固定主体(定子) 并且依据预设自由度相对于该定子移动的至少一个可移动质量块。此外，该可移动质量块借助电容性结构(电容器)耦合至该固定主体。该可移动质量块相对于该固定主体的运动， 例如由于外应力产生的运动，改变了电容器的电容；由此，可能追溯到该可移动质量块相对于该固定主体的相对移位，以及所施加的力。反之亦然，通过提供适当的偏置电压，有可能在该可移动质量块上施加静电力以将它设置在运动状态。此外，为了提供机电振荡器，MEMS 惯性结构的频率响应被利用，该频率响应典型地为二阶低通型。许多MEMS (尤其是，所有机电振荡器和陀螺仪)必须设想具有将该可移动质量块维持在振荡中的任务的驱动装置。第一类已知解决方案设想以开环方式提供在该MEMS结构的共振频率上的周期性的压力。该解决方案是简单的，但也远非是有效的，因为由于半导体精密加工工艺中的不可消除的离差，而不能精确知道共振频率。此外，每个分立装置的共振频率可能随着时间而变化，例如，由于温度梯度或，更简单地，由于老化而变化。后来已经提出了基于sigma-delta调幅器的使用的反馈驱动电路。在将可移动质量块的振荡稳定在实际共振频率和抑制干扰方面，这种类型的电路毋庸置疑地比前面的电路更加有效。然而，必须有针对滤波、降频(decimation)、以及由sigma-delta调幅器提供的对比特流的进一步处理的各个级。为此，现今可获得的反馈驱动电路生产复杂、笨重，并且实践中很昂贵。此外，应当考虑到，陀螺仪具有复杂的机电结构，其包括两个质量块，这两个质量块相对于定子可移动并且彼此耦合以致于呈现相对自由度。该两个可移动质量块都电容性地耦合至该定子。可移动质量块之一致力于驱动(驱动质量块)，并保持以共振频率振荡。 另一个可移动质量块(感应质量块)在振荡运动中被驱动，并且在该微结构相对于预定轴以一角速度旋转的情况下，其承受正比于该角速度自身的科里奥利力。实践中，感应质量块作为加速计工作，使得能够检测科里奥利加速度。为了使能激励以及提供具有二阶低通式和高品质因素的传递函数的机电振荡器 (在其中传感器执行频率选择性放大器)，该驱动质量块配备有两种类型的差分电容性结构驱动电极和驱动检测电极。该驱动电极具有通过在该驱动质量块的机械共振频率上的噪声的谱分量产生的静电力来维持该可移动质量块在激励方向上自振荡的目的。该驱动检测电极具有通过传导电荷测量该感应质量块在激励方向上的平移位置或旋转位置的目的。专利No. EP1624285描述了一种用于控制陀螺仪的振荡速度的系统，其包括差分读取放大器、高通放大器、以及以连续时间模式运行的激励和控制级。文献No. EP1959234描述了前述控制系统的一种改进，其中控制回路包括低通滤波器以便减少偏移量以及寄生分量和由操作在反馈回路的总增益和相位上的耦合带来的影响。然而，在许多实例中，为了维持驱动质量块的振荡而施加一定强度的静电力的需求阻止了电源电压的降低，这与电子部分日益感受到的需求相反。特别地，在为了获得维持振荡所必需的静电力而施加的第一电压和用于读取驱动质量块的位置的第二电压之间会出现干扰。如果电源电压为低，该驱动质量块的电压变化可以造成在驱动质量块与定子之间的电容性耦合上的电压降，直到引起静电力的反转。随着每个循环，驱动作用倾向于系统性地衰减，而不是维持驱动质量块的振荡，其不足以产生对旋转的精确读取。因此，为了补充静电力的损失，有必要使用升压电路(充电泵)来激励驱动质量块或利用大量电极来增大电容性耦合。然而，在任一情形中，从消费水平(可以抵消电源电压中减少的事实)或者从占用面积的角度看，都存在缺陷。

发明内容
本发明的目的是为了提供一种微机电陀螺仪和一种用于激励微机电陀螺仪的方法，其将使得有可能克服所述的局限。根据本发明，提供了一种微机电陀螺仪，其包括主体；驱动质量块，其根据驱动轴以第一自由度相对于主体可移动，并且通过电容性耦合来耦合到所述主体；以及驱动装置，与该主体和该驱动质量块一起形成微机电控制回路，并设置成向所述驱动质量块提供具有共模分量和相应差分分量的驱动信号，使得根据该驱动轴以一驱动频率维持该驱动质量块的振荡；其特征在于，该驱动装置包括激励级，该激励级配置为可控地反转所述驱动信号的差分分量的符号。根据本发明，提供了一种用于激励微机电陀螺仪的方法，其中该微机电陀螺仪包括主体和驱动质量块，该驱动质量块可根据驱动轴以第一自由度相对于主体移动，并且通过电容性耦合来耦合到所述主体；该方法包括向所述驱动质量块提供具有共模分量和相应差分分量的驱动信号，使得根据该驱动轴以一驱动频率维持该驱动质量块的振荡；所述方法的特征在于可控地反转所述驱动信号的差分分量的符号。


为了更好地理解该发明，现在将通过仅作为示例的方式并参考附图来描述本发明的一些实施例，其中-图1是根据本发明一个实施例的微机电陀螺仪的简化框图；-图2是图1陀螺仪的放大细节的俯视图；-图3是图1陀螺仪的进一步放大细节的俯视图；-图4是关于在图1陀螺仪中所使用的信号的示图；-图如和恥示出了图1陀螺仪的第一部件的简化电路图，其分别处于第一操作配置和处于第二操作配置；-图6是图1陀螺仪的第二部分的更加详细的框图；-图7是图2部分的进一步放大图；-图8a_图Se是关于在图1陀螺仪中所使用的信号的示图；-图9a和图9b示出了图1陀螺仪的第二部分的简化电路图，其分别处于第一操作状态和处于第二操作状态；以及-图10是包含根据本发明一个实施例的微机电陀螺仪的电子系统的简化框图。
具体实施例方式图1总体上示出了微机电陀螺仪1，其包括由半导体材料制造的微结构2，驱动装置3，读取发生器4和读取装置5。该微结构2由半导体材料制造，并且包括固定结构6、驱动质量块7、和至少一个感应质量块8。为了简化，在此处举例说明的实施例中，将参考单轴陀螺仪的实例，单轴陀螺仪中存在单个感应质量块8。然而，下文描述的内容也可应用到多轴陀螺仪的实例中，多轴陀螺仪包括两个或更多个感应质量块或感应质量块系统，用于检测根据各自的独立轴的旋转。该驱动质量块7弹性地约束到该固定结构6，以能够按照平移自由度或旋转自由度在静止位置周围振荡。该感应质量块8机械耦合至驱动质量块7，以被带入按照驱动质量块7自身的自由度的运动中。此外，感应质量块8弹性地约束到驱动质量块7，于是从而以相应的另一自由度相对于驱动质量块7自身进行振荡。在这里描述的实施例中，具体地，驱动质量块7沿驱动轴X线性地可移动，而感应质量块8相对于驱动质量块7、按照垂直于驱动轴X的感应轴Y可移动。然而，应该理解，自由度速所允许的移动类型(平移或旋转)以及驱动和感应轴的设置，可以根据陀螺仪的类型而变化。此外，关于驱动质量块7和感应质量块8的运动，表述“按照轴”将无差别地用于沿轴或绕轴的移动，即这些质量块由各自的自由度(平移(沿轴)或旋转(绕轴))允许的运动。类似地，表述“按照自由度”将无差别地用于平移移动或旋转移动，如自由度自身所允许的那样。此外，将驱动质量块7 (与感应质量块8 一起)连接至固定结构6，以限定具有共振频率ωκ(按照驱动轴X)的共振机械系统。驱动质量块7 (图幻通过驱动单元10和反馈感应单元12电容性地耦合至固定结构6。该电容性耦合是差分类型的。更详细地，激励单元10包括第一和第二固定驱动电极10a、10b，其固定连接到固定结构6并且基本垂直于驱动方向X而延伸；以及可移动的驱动电极10c，其固定连接到驱动质量块7并且也基本垂直于驱动方向X。可移动驱动电极IOc是梳齿式的，并且分别与第一固定驱动电极IOa和第二固定驱动电极IOb电容性地耦合。此外，激励单元10的第一和第二固定驱动电极10a、10b，分别地电连接至该微结构2的第一驱动端13a和第二驱动端 13b。而且，如所提及的，该耦合是差分类型的。换言之，在每个激励单元10中，驱动质量块 7沿驱动轴X的移动确定了使得可移动驱动电极IOc与固定驱动电极10a、10b中的一个之间的电容的增加。相反，可移动驱动电极IOc与固定驱动电极10a、10b中的另外一个之间的电容相应地减少。反馈感应单元12的结构与激励单元10的相类似。具体地，反馈感应单元12包括 第一和第二固定感应电极12a、12b，其固定连接至固定结构6 ；以及可移动的感应电极12c， 其固定连接至驱动质量块7且是梳齿式的，并且分别与第一固定感应电极1 和第二固定感应电极12b电容性地耦合。此外，该反馈感应单元12的第一和第二固定感应电极12a、 12b，分别电连接至该微结构2的第一反馈感应端1 和第二反馈感应端14b。由此，实践中，驱动质量块7通过差分驱动电容CD1、CD2耦合至驱动端13a、13b，以及通过反馈感应差分电容Cfbsi、Cfbs2耦合至感应端14a、14b。感应质量块8电连接至驱动质量块7，而没有绝缘结构的介入。因此，感应质量块 8和驱动质量块7位于相同的电位。此外，感应质量块8通过信号感应单元15电容性耦合至固定结构6 (图幻。更精确地，该信号感应单元15包括第三和第四固定感应电极15a、 15b，其固定连接至固定结构6 ；以及可移动的感应电极15c，其固定连接至感应质量块8并且相应地设置在第三固定感应电极1 和第四固定感应电极1 之间。也在这个实例中， 该电容性耦合是差分类型，但其是通过垂直于感应方向Y的平行板电极获得的。此外，信号感应单元15的第三和第四固定感应电极15a、15b，分别电连接至该微结构2的第一信号感应端17a和第二信号感应端17b。实践中，通过信号感应差分电容Cssi、(^2将感应质量块8 耦合至信号感应端17a、17b。再一次参考图1，驱动装置3连接至驱动端13a、13b，并且连接至微结构2的反馈感应端14a、14b，从而结合驱动质量块7形成具有对驱动质量块7的位置控制的振荡微机电回路18。更详细地，驱动装置3包括电荷放大器20、第一移相器模块21、低通滤波器22、激励级23、控制器对、比较器25，以及锁相环(PLL)电路27。此外，受该PLL电路27控制的振荡器28和定时发生器30被用来为驱动装置3、读取发生器4和读取装置5提供定时信号。微机电回路18是混合类型的。实际上，电荷放大器20是开关电容器类型的，并被设置成以离散时间的方式运行，而低通滤波器22和激励级23以连续时间的方式运行。第一移相器模块21执行从时间离散至时间连续的转换。根据相关双重采样(⑶幻技术，循环地激励微机电回路18的离散时间部分，对于每个循环其包括均衡或复位步骤，其中，设置电路的节点被设置在参考电压(通常是共模电压)；偏移量采样步骤，其中，电路部件中存在的可能的偏移量被存储在电容性部件中； 以及感应步骤，其中，处理有意义的信号并且用减法消去先前存储的偏置量。
此外，电荷放大器20限定了用于检测驱动质量块7关于驱动轴X的位置χ的检测接口。驱动装置3的余下部件协作用于基于驱动质量块7的位置χ来控制微机电回路18 的振荡幅度，尤其是驱动质量块7的振荡幅度，并且保持其接近参考幅度。该参考幅度特别地由提供至控制器M的参考电压Vkef确定。电荷放大器20，是完全差分类型的，并具有分别连接至第一和第二反馈感应端 14a、14b的输入端，定义了用于检测驱动质量块7关于驱动轴X的位置χ的检测接口。电荷放大器20接收来自微结构2的反馈感应端14a、14b的差分反馈电荷包0FB1、Qfb2，并且将它们转换成指示驱动质量块7的位置χ的反馈电压VFB1、VFB2。以这种方式，电荷放大器20执行对驱动质量块7的位置χ的离散时间的读取。移相器模块21和低通滤波器22执行反馈电压VFB1、Vfb2的调节。更具体地，移相器模块21与电荷放大器20串联，并且引入尽可能接近90q且在任何情况下都包含在区间90 ±40g中的的相移。在一个实施例中，移相器模块21包括采样维持电路，并且还配置成以便于执行第一低通滤波。由移相器模块21提供的移相反馈电 SVfbi' >VFB2'因此相对于反馈电压VFB1、VFB2发生延迟和衰减。移相反馈电压Vfbi‘ ,Vfb2' 基本上呈现阶梯状变化。将低通滤波器22设置于移相器模块21的下游，其是二阶的完全差分滤波器，并且提供可随时间连续变化的经滤波的反馈电压Vfbi“ , Vfb2"。以下述方式来选择低通滤波器 22的截止频率，即使得微机电回路18 (尤其是驱动质量块7)的振荡频率(后文中将其称为驱动频率ωΒ)被包括在通带中，并且使得指示驱动质量块7的位置χ的有用信号的相位基本上不变。此外，低通滤波器22的通带是这样的，即通过离散时间读取而联系到采样的不期望的信号分量衰减至少30dB。为了预防可能危及对微机电回路18的振荡的控制的偏移量，移相器模块21和低通滤波器22都将以带有自动调零功能的放大器为基础。激励级23是连续时间的完全差分类型的，并且具有可变增益。另外，激励级23 与低通滤波器22串联，并且具有与微结构2的驱动端13a、i;3b相连接的输出端，用于提供驱动电压VD1、VD2以便于维持微机电回路18在驱动频率ωΒ处的振荡，该驱动频率接近于微结构2的机械共振频率ωκ。为此，由控制器M通过与低通滤波器22提供的经滤波的反馈电压Vfbi “、VFB2"相关的控制信号V。来确定激励级23的增益G。控制器M例如是离散时间PID控制器。特别地，确定增益G以便于维持微机电回路18的振荡状态(单元回路增益具有360的整数倍数的移相)。为了这个目的，控制器M在输入端接收参考电压Vkef，其指示了期望的振荡参考幅度。此外，激励级23被配置为在感应步骤期间的每个⑶S循环中，反转驱动电压VD1、 Vd2的差分交流分量的符号。更详细地，在每个循环的第一部分中，驱动电压VD1、Vd2分别由下式给定Vm = VCM+K0sin ωΑ (la)VD2 = Vcm-K0Sin ωΑ (lb)在每个循环的第二部分中，与第一部分互补，驱动电压VD1、VD2分别由下式给定Vm = Vcm-K0Sin ωΑ (2a)VD2 = VCM+K0sin ωΑ (2b)
在等式(la)、(lb)、Ca)、(2b)中，Vcm是激励级23的共模电压，K。是常量，以及ωΑ 是微机电回路18的振荡的当前频率(等于在稳态下的驱动频率ωΒ)。驱动电压VD1、VD2的差分分量由项Kosinc^t定义。循环的第二部分与感应步骤同时开始，并且微微提前结束。比较器25具有连接到激励级23输入端的输入端(其限定了控制节点25a)，并且接收在来自低通滤波器22的输出端的经滤波的反馈电压Vfbi“ , Vfb2"之间的电压差Δν。 比较器25在电压差Δ V的每个过零处进行切换，由此操作为频率检测器装置。在一个实施例中，比较器25被连接至单个控制节点，并在经滤波的反馈电压Vfbi“ ,Vfb2“之一的每个过零处进行切换(经滤波的反馈电压Vfbi“ ,Vfb2 “的过零处和电压差AV的过零处重合)。比较器25的输出提供本地时钟CKN，该输出连接到PLL电路27的输入端，从而能够使得与微机电环路18锁定相位。然而，由于电荷放大器20、第一移相器模块21和低通滤波器22的存在，本地时钟信号CKn关于驱动质量块存在相移。PLL电路27提供主时钟信号CKm和正交时钟信号CK9(1。主时钟信号CKm具有等于本地时钟信号CKn频率的整数倍的频率。如果用ωΜ来表示主时钟信号CKm的频率，用ωΝ 来表示本地时钟信号CKn的频率，由此得到ω M = K ω ν例如，K= 21CI。正交时钟信号CK9tl具有与本地时钟信号CKn相同的频率并且关于本地时钟信号 □(,移相90g，并被用来对控制器24提供定时。实践中，正交时钟信号CK9tl在来自低通滤波器22输出端的经滤波的反馈电压Vfbi“、VFB2"的最大和最小处进行切换。因此，定时控制器M被正确定时以便于检测经滤波的反馈电压Vfbi“、Vfb2“之间的电压差Δ V的峰值。振荡器观向定时发生器30提供辅助时钟信号CKaux，其具有接近于主频率ωΜ的经校准的频率。定时发生器30接收主时钟信号CKm和辅助时钟信号CKaux，并使用它们来产生离散时间分量(并且更一般地，为了陀螺仪1的正常运行)所必需的定时信号。当PLL电路 27没有与微机电回路18的振荡同步时，使用辅助时钟信号，由此，主时钟信号CKm是不可用的，例如在受冲击之后的启动或复位步骤期间，即是如此。当微机电回路18的振荡被稳定在驱动频率ωΒ时，使用主时钟信号CKM。具体地，定时发生器30提供第一定时信号Ct1、第二定时信号Φ2、第三定时信号小3和第四定时信号Φ4，其在稳态状态中具有等于本地时钟信号CKn频率的整数倍的频率 (例如，40吟)。依照⑶S技术，该第一、第二和第三定时信号Φρ Φ2、(^界定了针对激励的复位步骤、偏移量采样步骤和感应步骤。也使用第三定时信号63驱动读取发生器4，以便于向驱动质量块7和感应质量块8提供持续时间等于感应步骤持续时间的方波读取信号VK。在一个实施例中，读取信号VR是在OV至2 Vcm之间变化的电压，其中V。M是用于微机电回路18 的部件的共模电压。第四定时信号Φ4驱动驱动电压VD1、Vd2的差分分量的符号的反转。图4中示出了读取信号Vk和定时信号Φρ Φ2、Φ3、小4之间的时间相关性，并限定了根据CDS技术执行感应和控制循环。在每个循环的第一部分UtTt1)(接近该周期的五分之一，复位步骤)中，第一和第二定时信号Φ” 62为高，而第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4为低。而后(在时刻、)，第一定时信号Ct1发生切换并且对于该周期的第二部分 (、-、)(接近五分之二，偏移采样步骤；“偏移”在这里及下文中，意味着静态偏移以及与各种部件相关联的闪烁噪声的贡献)保持状态不变。在时刻t2处，第二定时信号Φ2发生切换并且在该周期的第三和最后部分(t2_t3)(另一个五分之二，感应步骤)期间保持稳定。 在时刻t2处，具有相伴的第一边沿(在该实例中，是前沿)的第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4也发生切换。然而，当整个感应步骤期间直到瞬时t3，第三定时信号(^保持稳定时，第四定时信号Φ4稍稍提前发生切换。实际上，第四定时信号Φ4具有相对于第三定时信号$3提前的第二边沿(在该实例中，后沿)。如下面将解释的，由于驱动电压VD1、VD2的切换和驱动端13a、i;3b与信号感应端17a、17b之间的寄生电容性耦合的存在，该方案具有补偿寄生电荷注入的目的。然而，在陀螺仪1的启动步骤中，用于定时信号Φρ Φ2、Φ3、Φ4(以及由此的读取信号Vk)生成的基础是由振荡器观产生的高频异步时钟信号CKAS。读取装置5是离散时间开环类型的，在这里所描述的实施例中，配置为根据各自的自由度执行对感应质量块8的位移的所谓“双端”读取(尤其是，用于检测感应质量块沿感应轴Y的位置y)。具体地，读取装置5具有连接到微结构2的信号感应端17a、17b的输入端，以及提供指示微结构2的角速度W的输出信号Sott的输出端fe。 图5ajb更详细地图示了激励级23，其包括，完全差分可变增益放大器(VGA) 40和开关模块41。该可变增益放大器40具有信号输入端40a、40b，其连接到低通滤波器22、用于接收经滤波的反馈电压Vfbi “ ,Vfb2 “；以及增益控制输入端40c，其连接到控制器对，用于接收控制信号V。。可变增益放大器40的输出提供经放大的电压VA1、VA2，根据由控制信号\确定的增益，VA1、VA2之间的差与经滤波的反馈电压Vfbi“ ,Vfb2“之间的差成比例。此外，经放大的电压Vai、Va2是关于激励级23的共模电压Vqi对称的。开关模块41具有第一输入端41a和第二输入端41b，其连接至可变增益放大器 40的相应的输出；以及第一输出端41c和第二输出端41d，其分别连接到微结构2的第一驱动端13a和第二驱动端13b。第一直联开关4 和第二直联开关42b，分别连接在第一输入端41a和第一输出端41c之间以及第二输入端41b和第二输出端41d之间，并由第四定时信号Φ4控制；第一交叉连接开关42c和第二交叉连接开关42d，分别连接在第一输入端41a 和第二输出端41d之间以及第二输入端41b和第一输出端41c之间，并由被求反的第四定时信号Φ4控制。特别地，直联开关42a、42b和交叉连接开关42c、42d以这种方式控制，即在感应步骤期间，关于经放大的电压VA1、Va2反转开关模块41的输入端41a、41b和输出端 41c、41d之间的连接，直至被求反的第四定时信号生切换(已经提到，这相对于感应步骤的结束会提前发生，感应步骤的结束由第三定时信号Φ 3的切换来界定)。如图6所示，在一个实施例中，读取装置5包括相互串联的电荷放大器32、接收主时钟信号CKm以及基础时钟信号CKb的解调器33、采样保持(S&H)级34、低通滤波器35以及输出放大器36。电荷放大器32以及解调器33是开关电容器完全差分类型的。陀螺仪1如下面所描述地运行。通过驱动装置3将驱动质量块7设置在沿驱动轴 X振荡，该振荡在稳态情况下具有驱动频率ωΒ。通过驱动质量块7，驱动感应质量块8被带入沿驱动轴X的运动中。因此，当微结构2以某一瞬时角速度Ω，围绕垂直于轴X、Y平面的陀螺轴旋转时，感应质量块8受到科里奥利力，该力平行于感应轴Y且正比于微结构2的角速度Ω，并正比于两个质量块7、8沿驱动轴X的速度。更精确地，通过下面的等式给出该科里奥利力(Fc)Fc = 2Μ5Ωχ'其中，Ms是感应质量块8的值，Ω是微结构2的角速度，χ'是两个质量块7、8沿驱动轴X的速度。在稳态状态下，速度X'以驱动频率ωΒ正弦变化，具有相对于按照驱动轴X的位置X的相移90 9。通过将读取信号Vk施加到感应质量块8自身，并通过转换差分电荷包，由此通过读取装置5生成输出信号S·，来读取由科里奥利力引起的感应质量块8 的位移。控制器24、比较器25以及PLL电路27与移相器模块21、低通滤波器22以及激励级23互相合作，用于创造并维持微机电回路18在陀螺仪1的不同操作阶段中的振荡状态。特别地，激励级23将静电力施加到驱动质量块7，从而利于在其振荡的每个瞬间， 尤其是在每个CDS激励循环的感应步骤期间，基本上阻止了阻尼力的传递。由于可移动驱动电极IOc和相应的第一和第二固定驱动电极10a、10b之间的静电引力，由两个反向力FpF2来确定在每个可移动驱动电极IOc上的合力参见图7的这个连接)。力F1I2根据下述定律依赖于可移动驱动电极IOc和各自的固定驱动电极10a、10b 之间的激励电压Vai、Va2 F1 = K1Vai2F2 = -K1Va22其中，K1是取决于微结构2的特性的常量。因此，得到Fe = B(VA12-VA22)于是，激励电压Vai、Va2由下式给出Vai = Vdi-Ve = (VCM+K0sin ω At) -VeVA2 = Vd2-Ve = (Vcm-K0Sin ω At) -Ve由于在复位和偏移量采样步骤中，读取电压Vk是零，所以在这些步骤中，施加到每个可移动驱动电极IOc的合力等于Fe = B(VA12-VA22) = ^oK^sinw^相反，在感应步骤期间，读取电压Vk具有不是零并且比共模电压大的值(实际上， 该趋势是利用所有可用的动力学来最大化输出信号的幅度)。由此，得到Fe = -4Κ0Κ! (Vcm-Ve) sin ω At该负号归因于在每个CDS激励循环的感应步骤期间开关模块41的作用。假定读取电压Vk大于共模电压Vcm，该项(VQI-Vk)是负的。尽管，在感应步骤期间，模块中的合力！^ 比在复位和偏移量采样的步骤中小，但其方向保持相同并不阻滞驱动质量块7的激励。感应步骤期间的阻尼作用被消除，并由此在施加相同的驱动电压和具有相同的可用电极表面的情况下，驱动质量块7的振荡较大。因此，由读取设备5提供的输出信号Sott也较少受到干扰，且具有更好的信噪比。以举例的方式，图8a_图8d分别示出了读取电压Vk、驱动电压Vdi、驱动电压Vd2和作为在复位步骤期间驱动电压VD1、VD2的差分分量符号反转的结果得到的合力!V相反，图8e示出了不存在符号反转时本将获得的合力!V。如可能注意到的，符号反转保证了合力 Fe将依照CDS技术在每个激励期间Tms保持指向相同方向。如前面参考图4所述的，第四定时信号Φ 4控制开关模块41且决定驱动电压VD1、 Vd2的差分分量的符号反转，该第四定时信号Φ4在每个CDS激励循环的感应步骤的开始处 (时刻t2)，以及在相对于接下来的复位步骤的开始提前Ta，发生切换。以这种方式，避免了由于在信号感应端17a、17b处的电荷直接注入(作为与驱动端13a、13b的寄生电容性耦合的结果)产生的任何干扰(参见，在该连接中，以作为单独主体的简化方式表现了图9a和图9b中的寄生电容CP1、Cp2，其中驱动质量块7和感应质量块8没有相互绝缘)。在感应步骤的开始，开关模块41确定驱动电压VD1、VD2的差分分量的符号反转(图 4、^1和恥)，其相当于将电压步骤提供至驱动端13a、13b。由于寄生电容CP1、Cp2，驱动电压 VD1, Vd2的变化产生了到信号感应端17a、17b的第一电荷迁移，其可被读取装置5检测到。 由于提前Ta，在感应步骤完成之前，开关模块41再次反转驱动电压Vdi、Vd2的差分分量的符号，并引起方向的第二电荷迁移，其基本上补偿了第一电荷迁移的影响。优选地，提前Ta足够在下一个CDS激励循环的复位步骤开始之前完成第二电荷迁移。以这种方式，屏蔽了由开关模块41引起的反转的影响，因为在相同的感应步骤期间，电荷迁移被抵消。因此，在感应步骤结束处“冻结”的、由读取装置5转换的的最终值，免受干扰的影响，该干扰是驱动电压VD1、Vd2的差分分量的符号反转可以通过寄生电容CP1、Cp2而产生的。在一个实施例中，提前Ta是可编程的(例如，将其存储在寄存器中，这里未示出)。图10图示了根据本发明的一个实施例的电子系统100的一部分。该系统100包含陀螺仪1，且可以用在装置中，例如像掌上式电脑(个人数字助理，PDA)，膝上式或便携式电脑(可能具有无线能力)，蜂窝电话，消息通讯装置，数字音乐阅读器，数字照相机或其他设计成处理、存储、传送或接收信息的装置。例如，陀螺仪1可能用在数字照相机中，用于检测移动和执行图像稳定。在其他实施例中，陀螺仪1包括在便携式计算机、PDA、或蜂窝电话中，用于检测自由下落状态和激活安全配置。在另外的实施例中，陀螺仪1包括在通过运动而激活的用户接口中，用于计算机或视频游戏的控制台。在另外的实施例中，陀螺仪1并入卫星导航装置中，并且在卫星定位信号丢失的情况下用于位置的临时跟踪。电子系统100可以包括控制器110、输入/输出(I/O)装置120 (例如键盘或屏幕)、该陀螺仪1、无线接口 140、和易失性或非易失性类型的存储器160，其通过总线150而彼此耦合。在一个实施例中，使用电池180来向系统100供电。需要注意的是，本发明的范围不限定于必须具有所列装置中的一个或全部的实施例。该控制器110可能包括，例如一个或多更个微处理器、微控制器和类似物。可使用该I/O装置120来生成消息。该系统100可使用该无线接口 140来通过射频(RF)信号给无线通信网络传送消息和从无线通信网络接收消息。无线接口的例子可能包括，天线、无线收发机(例如偶极天线)，尽管本发明的范围不受限于此。此外，该I/O装置120可提供代表那些存储的以数字形式输出(如果已存储了数字信息)或以模拟形式输出(如果已存储了模拟信息)的内容的电压。最终，应该清楚，在没有背离如附加权利要求所限定的本发明的范围内，可对所描述的陀螺仪和方法作出改进和变化。特别地，该陀螺仪可以具有任何不同的微机械结构。例如，在下述情况中可以有利地利用该发明具有一个或更多个关于驱动质量块线性可移动并对倾斜和/或旋转(此外， 对偏航旋转)敏感的感应质量块的陀螺仪；具有围绕中心轴或非中心轴振荡的悬臂感应质量块或梁式感应质量块的陀螺仪；以及，具有角振荡驱动质量块的单轴和多轴的陀螺仪。此外，应该清楚，为了执行微机电回路的驱动(尤其是，为了实施CDS功能)，如分立部件的结构所需要的，可以使用不同数量具有不同相位关系的定时信号。在这个连接中，有可能使用由异步振荡器提供的、校准在驱动频率的主时钟信号来产生定时信号。因此，可以不需要PPL电路，从而节省大量的占用面积和在芯片外部的附加部件。
权利要求
1.一种微机电陀螺仪，包括主体(6)；驱动质量块(7)，其根据驱动轴(X)以第一自由度相对于主体(6)可移动，并且通过电容性耦合(10)来耦合到所述主体(6)；以及驱动设备(3)，其与所述主体(6)和所述驱动质量块(7) —起形成微机电控制回路 (18)，并配置向所述驱动质量块(7)提供具有共模分量(V。M)和相应差分分量的驱动信号 (Vdi，VD2)，使得维持所述驱动质量块(7)根据所述驱动轴⑴以驱动频率(ωΒ)振荡；其特征在于，所述驱动设备C3)包括激励级(23)，所述激励级配置成可控地反转所述驱动信号(VD1，VD2)的差分分量的符号。
2.根据权利要求1的陀螺仪，包括感应质量块(8)，其机械地耦合至所述驱动质量块(7)，从而被带入根据驱动轴(X)的运动中，并且根据感应轴⑴以第二自由度相对于所述驱动质量块(7)可移动，以响应于所述主体(6)的旋转；读取发生器G)，其设置成向所述感应质量块(8)提供方波读取信号(Vk)；以及读取设备(5)，其设置成响应于所述读取信号(Vk)，提供指示所述感应质量块(8)的位置的输出信号(Sout)；其中，所述激励级设置成，与所述读取信号(Vk)的第一沿(t2)同时反转所述驱动信号(Ud2)的差分分量的符号。
3.根据权利要求2的陀螺仪，其中，所述激励级设置成，从所述第一沿(t2)开始连续到相对于所述读取信号(Vk)的第二沿(t3)提前(TA)，反转所述驱动信号(VD1，VD2)的差分分量的符号。
4.根据权利要求3的陀螺仪，其中，所述提前(TA)是可编程的。
5.根据权利要求3或4的陀螺仪，其中，所述激励级包括放大器00)和具有耦合至所述放大器GO)的各自输出端的第一输入端(41a)和第二输入端Glb)的开关模块 01)，以及通过各自的驱动端(13a，13b)和所述电容性耦合(10)耦合至所述驱动质量块 (7)的第一输出端Glc)和第二输出端Gld)，且其中，所述开关模块具有，所述第一输入(41a)连接至所述第一输出端Glc)以及所述第二输入端(41b)连接至所述第二输出端(41d)的第一运行配置，和所述第一输入端(41a)连接至所述第二输出端Gld)以及所述第二输入端(41b)连接至所述第一输出端Glc)的第二运行配置。
6.根据权利要求5的陀螺仪，包括定时发生器(30)，其设置成通过一组定时信号 (Φ1 Φ2, Φ3)来控制所述读取发生器⑷和所述读取装置(5)，且通过另一定时信号(Φ4) 在所述第一运行配置和所述第二运行配置之间切换所述开关模块Gl)。
7.根据权利要求6的陀螺仪，其中，所述定时发生器(30)设置成，与所述读取信号(Vk) 的第一沿(t2)同时，将所述开关模块Gl)从所述第一运行配置切换至所述第二运行配置。
8.根据权利要求6的陀螺仪，其中，所述定时发生器(30)设置成，相对于所述读取信号 (Ve)的第二沿(t3)提前(Ta)将所述开关模块Gl)从所述第二运行配置切换至所述第一运行配置。
9.根据权利要求5-8任一的陀螺仪，其中，所述放大器00)是可变增益放大器。
10.根据任一前述权利要求的陀螺仪，其中，所述驱动设备包括检测接口(20)，其电容性地耦合至所述驱动质量块(7)，并设置成提供反馈信号(Vfbi，VFB2)，其指示所述驱动质量块(7)相对于所述驱动轴(X)的位置(χ)。
11.根据权利要求10的陀螺仪，其中，所述激励级耦合至所述检测接口(20)，用于基于所述反馈信号(Vfbi，Vfb2)产生所述驱动信号(VD1，VD2)。
12.—种系统，包括控制单元(410)和耦合至所述控制单元G10)的根据权利要求 1-14任意之一的微机电陀螺仪(1)。
13.一种用于激励微机电陀螺仪的方法，其中，所述微机电陀螺仪包括主体(6)和驱动质量块(7)，所述驱动质量块(7)根据驱动轴⑴以第一自由度相对于主体(6)可移动， 并且通过电容性耦合(10)来耦合到所述主体(6)；所述方法包括向所述驱动质量块(7)提供具有共模分量(Vqi)和相应差分分量的驱动信号(VD1，VD2)， 使得维持所述驱动质量块(7)根据所述驱动轴(X)以驱动频率(ωΒ)的振荡；所述方法的特征在于，可控地反转所述驱动信号(VD1，VD2)的差分分量的符号。
14.根据权利要求13的方法，其中，所述陀螺仪包括，感应质量块(8)，其机械地耦合至所述驱动质量块(7)，从而被带入根据驱动轴(X)的运动中，并且根据感应轴(Y)以第二自由度相对于所述驱动质量块(7)可移动，以响应于所述主体(6)的旋转；所述方法包括向所述感应质量块(8)提供方波读取信号(Vk)；以及响应于所述读取信号(Vk)检测所述感应质量块(8)的位置，其中，所述可控地反转所述驱动信号(VD1，VD2)的差分分量的符号包括与所述读取信号(Vk)的第一沿(t2)同时，反转所述驱动信号(VD1，VD2)的差分分量的符号。
15.根据权利要求13的方法，其中，所述可控地反转所述驱动信号(VD1，VD2)的差分分量的符号包括从所述第一沿(t2)开始连续到相对于所述读取信号(Vk)的第二沿(t3)提前(Ta)，反转所述驱动信号(VD1，VD2)的差分分量的符号。
全文摘要
本发明涉及了一种带有激励力反转的微机电陀螺仪和激励微机电陀螺仪的方法。公开了一种微机电陀螺仪，包括主体(6)和驱动质量块(7)，所述驱动质量块(7)根据驱动轴(X)相对于主体(6)可移动，并且电容性耦合到所述主体(6)。该陀螺仪还包括驱动设备(3)，其与所述主体(6)和所述驱动质量块(7)一起形成微机电控制回路(18)，并设置成向所述驱动质量块(7)提供具有共模分量(VCM)和相应差分分量的驱动信号(VD1，VD2)，使得维持所述驱动质量块(7)根据所述驱动轴(X)的振荡。向所述驱动设备(3)提供激励级(23)，其设置成以可控的方式反转所述驱动信号(VD1，VD2)的差分分量的符号。
文档编号G01C19/56GK102230800SQ20111008569
公开日2011年11月2日 申请日期2011年2月16日 优先权日2010年2月16日
发明者A·M·里佐皮雅扎罗恩科罗尼, C·卡米纳达, L·普兰迪 申请人:意法半导体股份有限公司