專利名稱：檢測方向與參考軸傾斜的多軸mems陀螺儀及其讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測方向相對參考軸傾斜的多軸MEMS陀螺儀的讀出電路， 并涉及相應(yīng)的多軸MEMS陀螺儀。
背景技術(shù)：
眾所周知，微機(jī)械加工技術(shù)能使微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)(MEMS)的制造在半導(dǎo)體 材料層中進(jìn)行，該半導(dǎo)體材料層沉積(如多晶硅層)或生長(如外延層)在犧牲層上，犧牲 層可以通過化學(xué)蝕刻去除。 使用這一技術(shù)制造的慣性傳感器，如加速度計和陀螺儀，在例如汽車領(lǐng)域，在慣性 導(dǎo)航或在便攜設(shè)備方面越來越成功。 特別的是，使用MEMS技術(shù)由半導(dǎo)體材料制成的集成陀螺儀已被熟知。這些陀螺儀 以相對加速度理論為基礎(chǔ)進(jìn)行操作，采用科里奧利(Coriolis)加速度。當(dāng)角速度被施加到 由線速度驅(qū)動的移動塊時，移動塊"感覺到"表觀力(即parentforce)，稱為"科里奧利力"， 其確定沿垂直于線性速度的方向并垂直于施加角速度所圍繞的軸的方向上的位移。移動塊 通過彈簧支持，彈簧使移動塊的位移在表觀力的方向上。根據(jù)虎克(Hooke)定律，位移與表 觀力成比例，因此，從移動塊的位移，能夠檢測科里奧利力和生成它的角速度的值。例如以 電容的方式，通過在共振的情況下確定由于移動電極的運(yùn)動引起的電容的變化(或，同樣 地，電荷量的變化)，檢測移動塊的位移，移動電極相對移動塊固定(或由移動塊自身構(gòu)成) 并被耦合到固定電極。 MSM陀螺儀具有大體對稱的傳感結(jié)構(gòu)，包括用于每個參考軸的一對傳感塊，圍繞所 述參考軸的相應(yīng)角速度被檢測，傳感塊在檢測方向上(一般與相應(yīng)參考軸一致)相互對齊 排列。讀出電路因此一般采用微分方案，其基于與每一對傳感塊相關(guān)聯(lián)的微分電容的變化。 然而實際上，科里奧利力在相反的方向上往往是失衡的，并且基本上每對傳感塊失衡相同 的量(生成所謂的"反相"運(yùn)動)，外部噪聲加速度確定其位移，該位移在相同的方向并再次 是相同的量(生成所謂的"同相"運(yùn)動)。通過計算與每對的兩個傳感塊相關(guān)聯(lián)的電信號的 差，因此理想地上能夠隔離和測量僅由科里奧利力產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，并完全排除噪聲的貢獻(xiàn)。
例如，雙軸的MEMS電容陀螺儀檢測沿著俯仰(pitch)參考軸(下文中用x表示) 的第一角速度，及沿著翻滾(roll)參考軸(下文中用y表示)的第二角速度。通過應(yīng)用科 里奧利定律，能獲得如下表達(dá)式仏=—2-J.5:rA; ;X7—-2,丄5y a: 其中M。是作用在傳感塊上的科里奧利力的力矩(隨后將進(jìn)行的更詳細(xì)的描述，傳 感塊執(zhí)行離開傳感器平面的旋轉(zhuǎn)檢測運(yùn)動)，J是相同傳感塊的慣性力矩，^和Qy是圍 繞相應(yīng)參考軸而作用的未知俯仰和翻滾角速度，且02是沿著豎軸z(垂直于傳感器平面) 的驅(qū)動角速度，同時是用于控制電子機(jī)械驅(qū)動回路的變量，其中傳感器的MEMS結(jié)構(gòu)形成 電子機(jī)械驅(qū)動回路的整體部分(驅(qū)動角速度在上述表達(dá)式中還充當(dāng)常數(shù)比例因子(scale factor))。特別的是，這個驅(qū)動回路是由集成電路形成，所述集成電路專用于生成和維持驅(qū)動塊以驅(qū)動角速度"z和共振頻率的振蕩運(yùn)動，傳感塊機(jī)械耦合到驅(qū)動塊。
陀螺儀的讀出電路，在例如本申請人的專利申請EP-A-1 962 054和EP_A_1624 286中進(jìn)行了描述，被配置為，通過與俯仰或翻滾傳感塊相關(guān)聯(lián)的微分電容變化，在 是俯仰的情況下讀取與矢量積Qx A ",成比例的信號，或者在翻滾的情況下讀取與 矢量積QyA 、成比例的信號，所述信號是DSB-SC(雙邊帶抑制載波(Dual Side Band-Suppressed Carrier))類型，即調(diào)幅的，載波由驅(qū)動角速度"z給出，這是由于在共 振頻率的結(jié)構(gòu)驅(qū)動。隨后，通過相干解調(diào)，所述信號首先進(jìn)入基帶然后被適當(dāng)?shù)剡^濾，在輸 出獲得電信號(特別是，電壓信號)，所述電信號只與未知量(即俯仰角速度Qx或翻滾角 速度Qy)成比例。 更詳細(xì)的描述如圖l所示，讀出電路，被標(biāo)示為l，具有兩個不同的轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈 (transduction chain)，第一轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈，標(biāo)示為la，用于檢測俯仰角速度Q,，第二轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈，標(biāo) 示為lb，用于檢測翻滾角速度Qy。同樣的在圖1中給出所有的傳感塊公有的移動(或轉(zhuǎn) 子(rotor))電極Rot的接觸，與俯仰傳感塊對相關(guān)聯(lián)的固定(或定子(stator))電極P^ P2的接觸，及與翻滾傳感塊對相關(guān)聯(lián)的固定電極Ri、R2的接觸(以及對應(yīng)的電容器對，具有 以微分方式變化的電容)。特別的是，圖l示出了單個固定電極與每個傳感塊相關(guān)聯(lián)的情 況。進(jìn)一步的，激勵信號，例如電壓階躍(voltage st印)AVs，將在讀取操作期間施加到移 動電極Rot。 每個轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈la，lb，都是完全微分類型的，并使用開關(guān)電容器(SC)技術(shù)生成，其包 括-電荷放大器2， S卩，電荷/電壓轉(zhuǎn)換器，設(shè)計為最小化噪聲影響，并設(shè)計成將在輸 入接收的微分電容變化(由于移動電極相對固定電極的位移)轉(zhuǎn)換為完全微分類型的電壓 變化信號，這個信號是由于以驅(qū)動塊的共振頻率驅(qū)動的DSB-SC類型的信號；電荷放大器2 具有用于該目的的連接到傳感塊的相應(yīng)固定電極Pi、P2的正輸入和負(fù)輸入；
-解調(diào)器(或混頻器)4，級聯(lián)(cascade)到電荷放大器2并與之形成用于轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈 的DSB-SC類型信號的測量鏈，它被設(shè)計成實施DSB-SC類型的調(diào)幅信號的相干解調(diào)；特別的 是，通過與信號的載波(驅(qū)動角速度"》(之前被處理以最小化它的相位延遲)同相的時 鐘信號CK，獲得相干解調(diào)以便將輸出信號(再次是完全微分類型)帶入基帶，并排除疊加在 相同信號上的偽成分(其具有相同的載波頻率，但是相對于信息成分相位偏離了 90度的角 度)； _采樣及保持級6，其被級聯(lián)到解調(diào)器4，并利用開關(guān)電容器(SC)技術(shù)設(shè)計，其目的 是將完全微分解調(diào)信號轉(zhuǎn)變(transform)為單端信號；及-濾波級8，其被級聯(lián)到采樣及保持級6以形成用于轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈的基帶信號的測量鏈， 并被設(shè)計為實現(xiàn)二階低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)(transfer function)，以便排除落在關(guān)注的 信號帶(通常是直到140Hz)以外的全部不想要的成分，其中作為相干解調(diào)結(jié)果的已知成分 處于共振頻率(也稱為剩余偏移(residual offset))和等于兩倍共振頻率的頻率，并在被 特意提供的輸出電極9a，9b上在輸出提供有用的模擬信號0UT(俯仰的或者翻滾的)；輸出 信號包含被MEMS電容陀螺儀檢測的俯仰或翻滾角速度的所希望的信息。
然而，本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)前面描述的讀出電路在下面的情形中是不可用的，即當(dāng) 多軸陀螺儀具有的檢測方向與它的參考軸不一致時，比如相對于參考軸傾斜了給定的角度。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種讀出電路，其能夠在傳感器的檢測方向相對于對 應(yīng)的參考軸(例如，俯仰和翻滾軸)傾斜的情況下進(jìn)行操作。 根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于設(shè)有微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)的多軸陀螺儀的讀出電路，所述
微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)具有參考軸和沿著相應(yīng)的檢測方向敏感的檢測元件，要檢測的相應(yīng)角速度
被設(shè)計為沿著所述參考軸起作用，所述檢測元件被設(shè)計為生成作為所述角速度在所述相應(yīng)
檢測方向投影的函數(shù)的相應(yīng)檢測量(detectionquantity);所述讀出電路被配置為基于所
述檢測量，生成電輸出信號，每個電輸出信號與所述角速度中相應(yīng)的一個相關(guān)， 其特征在于包括組合級，被配置為將與檢測量相關(guān)的電量(electricalquantity)
電組合在一起，所述檢測量由沿著相互不同的檢測方向敏感的檢測元件生成，以便考慮所
述檢測方向相對于所述參考軸的非零傾斜角。 根據(jù)本發(fā)明，還提供一種對應(yīng)的多軸陀螺儀，包括微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，所述微電子機(jī) 械結(jié)構(gòu)具有參考軸和沿著相應(yīng)的檢測方向敏感的檢測元件，要檢測的相應(yīng)角速度被設(shè)計為 沿著所述參考軸起作用，所述檢測元件被設(shè)計為生成作為所述角速度在所述相應(yīng)檢測方向 投影的函數(shù)的相應(yīng)檢測量，其特征在于所述檢測方向相對于所述參考軸傾斜非零傾斜角， 并包括讀出電路。
為更好的理解本發(fā)明，在這里描述了優(yōu)選的實施例，僅僅是非限制性的例子和附 帶的附圖，其中 _圖1示出了已知類型的多軸MEMS電容陀螺儀的讀出電路的示意性框圖；
-圖2示出了多軸MEMS電容陀螺儀的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)的示意性的俯視圖；
_圖3示出了圖2的陀螺儀的部分簡化示意表示；-圖4示出了依據(jù)本發(fā)明的第一個實施例，多軸MEMS電容陀螺儀的讀出電路的示 意性框圖；-圖5示出了圖4中電路的組合級更詳細(xì)的實現(xiàn)方式；-圖6示出了依據(jù)本發(fā)明的第二個實施例，多軸MEMS電容陀螺儀的讀出電路的示 意性框圖；-圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，MEMS電容陀螺儀和對應(yīng)的電子裝置的框 圖。
具體實施例方式
意大利專利申請T02008A00876，是本申請人在2008年11月26日申請而未公布的 申請，公開了一種對沿著俯仰、翻滾、偏轉(zhuǎn)(yaw)三個參考軸的角速度敏感的集成微電子機(jī) 械陀螺儀，其中檢測方向(沿著該方向傳感塊敏感)相對于參考軸傾斜給定(非零)的角 度，特別的是等于45。的角。 該陀螺儀特別的優(yōu)點在于能使得 結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的電連接更加對稱，占據(jù)的區(qū)域合理化，角速度檢測的靈敏度最大化。 例如，圖2示出了依據(jù)上述意大利專利申請中的教導(dǎo)制成的多軸陀螺儀(標(biāo)示為 10)的MEMS結(jié)構(gòu)的實施例。 MEMS結(jié)構(gòu)10被提供在芯片(die) 12中，芯片(die) 12包括半導(dǎo)體材料(如硅)的 襯底12a以及位于襯底12a上的在內(nèi)部限定開口區(qū)域12c的框架12b，開口區(qū)域12c容納 多軸陀螺儀的傳感結(jié)構(gòu)。開口區(qū)域12c在傳感器平面xy(基本上平行于襯底12a的平面) 內(nèi)具有大體正方形或矩形配置，傳感器平面xy由相對于芯片12固定的第一水平軸x和第 二水平軸y進(jìn)行限定；框架12b具有基本上平行于水平軸x， y的側(cè)邊。芯片焊盤12d沿著 框架12b的至少一個側(cè)邊設(shè)置，例如沿著第一水平軸x，對齊排列。未示出的，芯片焊盤12d 能夠從多軸陀螺儀的傳感結(jié)構(gòu)的外面進(jìn)行電接觸。芯片焊盤12d還具有對稱軸，在當(dāng)前示 例中其與第二水平軸y(其與它們的排列方向垂直) 一致。特別的，第一水平軸和第二水平 軸x， y對應(yīng)于MEMS結(jié)構(gòu)10的俯仰參考軸和翻滾參考軸，圍繞所述參考軸的俯仰角速度Q x 和翻滾角速度Qy被檢測。 MEMS結(jié)構(gòu)10包括驅(qū)動元件，其容納在開口區(qū)域12c中并且包括驅(qū)動塊13和驅(qū)動 組件14。 驅(qū)動塊13具有主要在傳感器平面xy延伸的基本的平面配置，和相對于所述主要 延伸來說在平行于垂直軸z的方向上可忽略不計的大小，垂直軸z與第一水平軸x和第二 水平軸y形成一組三個正交軸(垂直軸z還與MEMS結(jié)構(gòu)10的偏轉(zhuǎn)參考軸一致)。驅(qū)動塊 13在中心限定空間(empty space) 16，所述空間的中心0與整個結(jié)構(gòu)的對稱中心和質(zhì)心相 一致。驅(qū)動塊13還通過設(shè)置在空間16中的第一錨具(anchorage) 17a并通過另外的錨具 17b錨定到襯底，驅(qū)動塊13通過第一彈性錨定元件18a連接到第一錨具17a，另外的錨具 17b被設(shè)置在相同驅(qū)動塊13的外部，并且驅(qū)動塊13通過另外的彈性錨定元件18b連接到另 外的錨具17b。彈性錨定元件18a、18b能夠使驅(qū)動塊13圍繞通過中心0的驅(qū)動軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 振蕩運(yùn)動，并具有驅(qū)動角速度"，，驅(qū)動軸平行于垂直軸z并垂直于傳感器平面xy。
驅(qū)動塊13還包括第一對通孔19a、19c，它們在第一檢測方向Xl的直徑方向上對 齊排列，所述方向相對于芯片2的第一水平軸x(與俯仰參考軸一致)傾斜了傾角小(在反 時針方向上)，其值9優(yōu)選為45° ，并且第一對通孔被設(shè)置在相對于空間16的相反側(cè)；及 第二對通孔19b、19d，它們在第二檢測方向x2的直徑方向上被對齊排列，所述方向基本上垂 直于第一檢測方向Xl，并相對于第一水平軸x傾斜了相同的傾角小(在此情況下是在相反 的順時針方向)，并且第二對通孔同樣被設(shè)置在相對于空間16的相反側(cè)。特別的，每個通 孔19a-19d在傳感器平面xy內(nèi)具有徑向環(huán)扇(radial an皿lus sector)形狀，該形狀具有 弧形內(nèi)側(cè)和外側(cè)及徑向延伸的橫側(cè)邊(lateral side)。驅(qū)動塊還包括一對另外的通孔20、 20'，其在平面視圖具有基本上是矩形的形狀，并被沿著第二水平軸y對齊排列(或作為可 選且未示出的，沿著第一水平軸x)，并具有在與所述水平軸橫切(traverse)的方向上的主 要延伸。 驅(qū)動組件14包括多組驅(qū)動電極21，驅(qū)動電極21在驅(qū)動塊13的外部在徑向上延 伸，并成角度地以相等的距離間隔開，并由成叉指狀(combfingered)配置的電極構(gòu)成。來 自于電子驅(qū)動電路(在此未示出)的適當(dāng)?shù)碾娖眯盘?，通過電極的相互和交替的吸引，確 定驅(qū)動塊13圍繞垂直驅(qū)動軸z的振蕩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所述振蕩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在驅(qū)動角速度02和振蕩的共振頻率下進(jìn)行。 MEMS結(jié)構(gòu)10進(jìn)一步包括具有平行于垂直軸z的軸的第一對加速度傳感器，特別的 是第一對傳感塊22a、22c，設(shè)置在第一對的相應(yīng)通孔19a、19c中，以在傳感器平面xy中被驅(qū) 動塊3的全部輪廓(dimension)完全圍繞并包含。傳感塊22a、22c中的每一個的形狀對應(yīng) 于相應(yīng)通孔的形狀，并因此具有在平面視圖中普通的徑向環(huán)扇形狀。傳感塊22a、22c中的 每一個還由在橫切于第一檢測方向Xl的方向上在相應(yīng)通孔內(nèi)延伸的一對彈性支持元件24 支持，以便被懸吊在襯底12a上面。彈性支持元件24形成扭轉(zhuǎn)彈簧，該扭轉(zhuǎn)彈簧關(guān)于驅(qū)動 塊13的轉(zhuǎn)動是剛性的(從而，傳感塊22a、22c在驅(qū)動塊13的驅(qū)動動作中跟隨驅(qū)動塊13)， 該扭轉(zhuǎn)彈簧還使傳感塊圍繞平行于所述彈性支持元件24的延伸方向的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 因此傳感塊的運(yùn)動離開傳感器平面xy(相反的，該運(yùn)動對驅(qū)動塊13是不允許的)。
類似的，MEMS結(jié)構(gòu)10包括具有平行于垂直軸z的軸的第二對加速度傳感器，特別 的是第二對傳感塊22b、22d，其容納在第二對的通孔19b、19d中。 傳感塊22a-22d從而在相應(yīng)的檢測方向Xi、^上對齊排列，所述檢測方向相對于檢 測角速度所圍繞的俯仰參考軸和翻滾參考軸是傾斜的，并且相對于芯片12的側(cè)邊(平行于 相同的參考軸)傾斜。在科里奧利定律的基礎(chǔ)上，傳感塊從而對于在相應(yīng)的檢測方向^、^ 上起作用的角速度敏感。 相應(yīng)的固定電極25被設(shè)置在每個傳感塊22a-22d的下面，例如由形成在襯底12a 上面的多晶硅區(qū)域構(gòu)成。固定電極25與相應(yīng)的傳感塊形成傳感電容器，具有作為由于科里 奧利力引起的傳感塊本身的位移的函數(shù)(從而作為要被檢測的角速度的函數(shù))的可變電 容；特別的，相同的傳感塊構(gòu)成傳感電容器的移動電極。固定電極25通過芯片焊盤12d被 連接到多軸陀螺儀(未示出)的讀出電路；另外(未示出)，傳感塊被電連接在一起并被連 接到單個電接觸，所述電接觸也通過芯片焊盤12d被耦合到前述的讀出電路。
MEMS結(jié)構(gòu)10更包括容納在另外的通孔20、20'中的一對另外的傳感塊28、28'，其 相對于襯底12a被懸吊并通過相應(yīng)的彈性支持元件29被連接到驅(qū)動塊3。特別的，彈性支 持元件29關(guān)于驅(qū)動塊13的驅(qū)動動作是剛性的(從而，另外的傳感塊28、28'在驅(qū)動塊13的 旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動跟隨驅(qū)動塊13)，而且響應(yīng)于科里奧利力，能使相應(yīng)傳感塊進(jìn)行線性運(yùn)動(在 表示的示例中沿著第二水平軸y)。與每一個另外的傳感塊28、28'耦合的是移動電極，其 與相應(yīng)固定電極25形成具有平面和平行面的傳感電容器，固定電極25相對于驅(qū)動塊13固 定。 在實際使用中，MEMS結(jié)構(gòu)10能夠作為三軸陀螺儀操作，并能夠檢測圍繞第一水平 軸x的俯仰角速度Q,，和圍繞第二水平軸y的翻滾角速度Qy，及圍繞垂直軸z作用的偏轉(zhuǎn) 角速度Qz。 俯仰角速度Q,，或類似的，翻滾角速度Qy(更準(zhǔn)確的說是在第一和第二檢測方向
Xl、 x2上的相應(yīng)分量)沿著垂直軸z在傳感塊22a-22b上產(chǎn)生科里奧利力，其確定傳感塊
22a-22b離開傳感器平面xy的轉(zhuǎn)動。相反，彈性錨定元件18a、18b的配置能近似的阻止驅(qū)
動塊13離開傳感器平面xy的運(yùn)動，因此能有效的相對于驅(qū)動動作去耦傳感塊的檢測運(yùn)動。
離開傳感器平面xy的傳感塊22a-22d的位移引起與相同檢測方向相關(guān)聯(lián)的傳感電容器的
微分電容變化，其能夠通過恰當(dāng)?shù)囊罁?jù)微分方案進(jìn)行操作的讀出接口被確定。 此夕卜，圍繞垂直軸z作用的偏轉(zhuǎn)角速度Qz在徑向方向上在另外的傳感塊28、28'
10上產(chǎn)生科里奧利力(標(biāo)示為F)(因此作為作用在相同塊上的離心力)，從而產(chǎn)生在徑向方向 上傳感塊28、28'的反相的位移。相應(yīng)傳感電容器的電容變化的值與要檢測的角速度成比 例，角速度因此能夠通過讀出接口被確定，讀出接口再一次依據(jù)微分方案進(jìn)行操作。
描述的MEMS結(jié)構(gòu)10具有多個優(yōu)勢。特別的，傳感塊22a-22d的配置(相對于傳 感器平面中的參考軸傾斜)能夠使對于檢測來說可用區(qū)域的利用優(yōu)化，增強(qiáng)傳感器的靈敏 度，并改進(jìn)電特性的均勻性和系統(tǒng)對于干擾的魯棒性，這些優(yōu)勢是由于能夠獲得到芯片焊 盤12d的電連接的基本對稱結(jié)構(gòu)。 然而，本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)被描述的結(jié)構(gòu)不能使用傳統(tǒng)的讀出接口 (例如，參考圖1 描述的類型)，是由于傳感塊22a-22d中的每一個都受俯仰角速度Q,和翻滾角速度Qy兩 者影響，兩個角速度都確定在第一和第二檢測方向Xl、 x2上的非零速度分量。相反的，參照 圖1描述的讀出電路1具有的轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈對于每對傳感塊是完全不同的并且要用于檢測相應(yīng)的 俯仰角速度或翻滾角速度，它的前提條件是第一對的傳感塊22a-22c僅僅受俯仰角速度Qx 影響，并且以相同的方式，第二對的傳感塊22b-22d僅僅受翻滾角速度Qy影響。
本申請人還發(fā)現(xiàn)，為完全利用前面描述的MEMS結(jié)構(gòu)10所提供的優(yōu)勢，有必要提供 特地設(shè)計的讀出接口，所述讀出接口能夠在與傳感塊22a-22d相關(guān)聯(lián)的電容的變化中(或 類似的，在電荷量的變化中)，區(qū)分由于俯仰角速度Q,和由于翻滾角速度Qy帶來的貢獻(xiàn)。
圖3示出了前面詳細(xì)描述的多軸電容陀螺儀的MEMS結(jié)構(gòu)10示意性的和簡化表 示，關(guān)于傳感塊22a-22d，在此通過相應(yīng)的固定電極簡單地表示(分別標(biāo)示為A、B、C、D)，用 于檢測沿著相應(yīng)的俯仰參考軸(第一水平軸x)和翻滾參考軸(第二水平軸y)起作用的俯 仰角速度Q,和翻滾角速度Qy(兩個角速度在此簡單的用相應(yīng)的矢量^和豆表示)。傳感 塊22a-22d被成對的在檢測方向Xl、x2上對齊排列，檢測方向Xl、x2相對于俯仰和翻滾參考 軸傾斜角度小(假設(shè)等于45° )。另外，在檢測方向Xl、 x2在相應(yīng)傳感塊22a-22d上起作
用的角速度矢量標(biāo)示為X、5、5、5，其由俯仰角速度P和翻滾角速度豆在相同檢測方向Xp^
上投影的和矢量給出(在圖3中，對于傳感塊22a，這些投影被表示為PAjA ;類似的標(biāo)記隨 后被用于其他的傳感塊)。 通過使用簡單的幾何知識，可以得到下述關(guān)系X=PA+RA=P' (cosO)) + S (sinO) = * P + ~r R
——一 _ 一 1 一1 一B = PB+RB=_P.(sin$) + R.(coscD) = —~^P +下.R
——_ _ — 1 一 1 — C = Pc+Rc= — P . (cos①)—R . (sin①)=—7. p — 7. R 5=PD+SD=P (sincD) - R. (cosO)=;.卜;S
力 V2 因而斷定，每個傳感塊22a-22d根據(jù)它的運(yùn)動產(chǎn)生電容變化(正如前面所述，其與 在相應(yīng)的檢測方向上感測到的角速度成比例)，所述電容變化是俯仰角速度Q,和翻滾角速 度Qy的函數(shù)。 本申請人還意識到，存在作用在四個傳感塊22a-22d上的角速度貢獻(xiàn)的(因此，相 關(guān)聯(lián)的電容貢獻(xiàn)的)特別組合，使得能夠獲得沿著俯仰和翻滾參考軸作用的所期望的角速 度。特別的，通過下面的第一組合表達(dá)式能夠獲得翻滾角速度的全部貢獻(xiàn)
11<formula>formula see original document page 12</formula> 及通過下面的第二組合表達(dá)式類似的獲得俯仰角速度的全部貢獻(xiàn)
前面所述的兩個組合表達(dá)式，除能獲得用于關(guān)注的每個參考軸的有用信息外(俯 仰參考軸和翻滾參考軸)，在相同的面積用于傳感結(jié)構(gòu)的情況下，還通過因子V^提供了增 強(qiáng)多軸陀螺儀的靈敏度的優(yōu)勢(在傳統(tǒng)類型的結(jié)構(gòu)中，靈敏度對于翻滾軸來說實際上等于 2 R，對于俯仰軸來說等于2 P)。 因此，本發(fā)明的一個方面是設(shè)計一種電路實現(xiàn)方式，具有對于MEMS陀螺儀的讀出 接口 (其再次包括用于DSB-SC信號的測量鏈，其后是用于基帶信號的測量鏈)的特地改 進(jìn)，并基于前面所述的組合表達(dá)式實施，特別是通過將與傳感塊22a-22d的位移相關(guān)聯(lián)的 電量適當(dāng)組合在一起，所述位移不是指相同檢測方向Xl、 xj或者類似的，指不同的檢測方 向)。在這種方式下，在隨后的處理操作后，在輸出能夠獲得與要被檢測的僅僅俯仰角速度 或翻滾角速度成正比的電信號。特別的，這些電量可以方便的在由測量鏈(其中所述測量 鏈?zhǔn)怯糜谧x出電路中的轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈的基帶信號)執(zhí)行處理之前被組合，以便獲得能隨后在基帶 中被恰當(dāng)處理(以傳統(tǒng)的方式)的電信號。 正如隨后被詳細(xì)舉例說明的，本發(fā)明的一個方面是構(gòu)思介紹額外的組合級的MEMS 陀螺儀的讀出電路，所述額外的組合級被設(shè)計為執(zhí)行與各個傳感塊22a-22b相關(guān)聯(lián)的電量 的恰當(dāng)?shù)慕M合，由此外推(extrapolate)對僅翻滾角速度Q,和俯仰角速度Qy進(jìn)行檢測的 有用的信息。 具體的，圖4(其中，與先前描述過的元件類似的元件采用相同的參考標(biāo)記，并且 不再進(jìn)行詳細(xì)描述)示出了依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的讀出電路30，其中上述的組合級 (被標(biāo)示為3)，被設(shè)置在整個轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈的上游(例如，用于DSB-SC信號的測量鏈的電荷放大 器2的上游)，并具有直接連接到MEMS結(jié)構(gòu)10的電極的輸入。 以與圖3中示出的類似的方式，對應(yīng)于傳感塊22a-22d的固定電極被標(biāo)示為A、B、 C和D，假設(shè)與每個傳感塊相關(guān)聯(lián)的是單個固定電極；再次舉例說明的是，具有相反電容變 化的傳感電容器形成在在相同的檢測方向Xl、 x2上對齊排列的傳感塊的固定電極與公用移 動電極Rot之間(移動電極被電連接到傳感塊)。 組合級32也在輸入從定時電路(未示出)接收第一相位信號&和第二相位信號 ^，特別是彼此反相的方波信號，并且組合級32通過合適的開關(guān)的激活而被配置，從而使固 定電極A、B、C和D成對的彼此短路，其中所述開關(guān)具有恰當(dāng)?shù)拇笮〔⒂缮鲜鱿辔恍盘柨刂啤?特別的，組合級32實施由傳感塊22a-22b產(chǎn)生的電壓貢獻(xiàn)(或電容變化)的恰當(dāng)?shù)慕M合， 以便通過第一組合的后續(xù)處理在第一讀出階段進(jìn)行圍繞翻滾參考軸的角速度的檢測，并通 過第二組合的后續(xù)處理在區(qū)別于所述第一讀出階段的第二讀出階段進(jìn)行圍繞俯仰參考軸 的角速度的檢測。 更詳細(xì)的，參考圖5，組合級32包括開關(guān)陣列，S卩第一開關(guān)34，其被連接在固定電
12極A(與傳感塊22a相關(guān)聯(lián))和固定電極B(與傳感塊22b相關(guān)聯(lián))之間，并被第一相位信 號&控制；第二開關(guān)35，其被連接在固定電極C(與傳感塊22c相關(guān)聯(lián))和固定電極D(與傳 感塊22d相關(guān)聯(lián))之間，并且也被第一相位信號A控制；第三開關(guān)36，其被連接在固定電極 B和固定電極C之間并被第二相位信號伊p控制；及第四開關(guān)37，其被連接在固定電極A和固 定電極D之間并且也被所第二相位信號伊p控制。 此外，組合級32實施在固定電極A和電荷放大器2的非反相輸入之間的直接電連
接，及在固定電極C和相同電荷放大器2的反相輸入之間進(jìn)一步的直接電連接。 在實際使用中，在第一讀出階段，其對應(yīng)于第一相位信號&的高激活間隔，固定電
極A和B彼此短路(還被連接到電荷放大器2的非反相輸入)，并且固定電極C和D彼此短
路(并還被連接到電荷放大器2的反相輸入)。在所述第一階段中，同樣給定角速度的貢
獻(xiàn)和電荷貢獻(xiàn)或電容變化之間的正比關(guān)系，由此前面所述的第一組合表達(dá)式X+5-5-5被執(zhí)
行，以便在輸出從電荷放大器2獲得與僅僅翻滾角速度Qx相關(guān)的電壓變化信號。 在第二讀出階段，其在第一階段之后并與之區(qū)別，并且對應(yīng)于第二相位信號A的
高激活間隔(其間第一相位信號&處于低邏輯電平)，固定電極A和D(還連接到電荷放大
器2的非反相輸入)彼此不再短路，而固定電極B和C(還連接到電荷放大器2的反相輸
入)彼此短路。在第二階段，前述的第二組合表達(dá)式X-5-5+5被執(zhí)行，以便在輸出從電荷放
大器2獲得與僅僅俯仰角速度Qy相關(guān)的電壓變化信號。 從而應(yīng)注意的是，在組合級32的開關(guān)陣列實施為，對于固定電極A、B、C和D的組 合及相應(yīng)的電容貢獻(xiàn)的組合的一種權(quán)重陣列，以確定相加過程中與這些電極相關(guān)的電荷貢 獻(xiàn)符號的正或負(fù)，所述相加過程產(chǎn)生前述第一或第二組合表達(dá)式。 如圖4中所示，在輸出來自于電荷放大器2的電壓變化的微分信號，被傳送到解調(diào) 器4，所述解調(diào)器使用時鐘信號CK執(zhí)行相干解調(diào)，所述時鐘信號CK與驅(qū)動角速度co z同相。
由此讀出電路30可以有利的設(shè)計在這樣的情形中，即用于DSB-SC信號的單個測 量鏈(作為整體被標(biāo)示為40)，由以級聯(lián)方式連接的單個電荷放大器2和單個解調(diào)器4構(gòu) 成。所述單個測量鏈實際上提供翻滾和俯仰參考軸的時間分割(time division)讀出(由 前述第一和第二相位信號進(jìn)行記時)特別的，在所述第一階段，解調(diào)信號(在輸出，來自于 解調(diào)器4)表示要被檢測的翻滾角速度，然而，在第二階段，解調(diào)信號表示俯仰角速度。
可能的是(未示出)，用于DSB-SC信號的單個測量鏈40也可被用于偏轉(zhuǎn)角速度 Q,(對應(yīng)于偏轉(zhuǎn)參考軸)的時間分割讀出，通過簡單的引入專用于此的第三讀出階段(具 有第三相位信號伊y)即可，是相對于先前讀出階段(與所述相位信號&和W相關(guān)聯(lián))的偏 移；在此情況下，另外的開關(guān)被提供，其由第三相位信號^控制，以便連接到電荷放大器2 的輸入，其中固定電極25與另外的傳感塊28、28'相關(guān)聯(lián)，傳感塊28、28'對于偏轉(zhuǎn)角速度 Qz敏感。在該第三步驟中，開關(guān)34、35、36、37被斷開；隨后，為防止固定電極A、B、C和D仍 處于浮置狀態(tài)，另外四個開關(guān)被引入，分別連接在固定電極A、 B、 C、 D與處于已知電勢(優(yōu) 選的是所述第一和第二讀出階段期間，相同電勢用作電荷放大器2的輸入公用模式(input common mode))的終端之間，以便保持微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)完全偏置。 解調(diào)器4的下游，在此代替的設(shè)計使用用于分別對應(yīng)于俯仰和翻滾角速度的信號 的基帶信號38a、38b的兩個不同的測量鏈，每個鏈包括相應(yīng)的采樣及保持級6，被濾波級8 級聯(lián)，濾波級8被設(shè)計為在專門配置的輸出電極9a、9b上提供有用的模擬輸出信號，所述模
13擬輸出信號包括由MEMS結(jié)構(gòu)10檢測的俯仰或翻滾角速度的期望的信息。 特別的，本例中的讀出電路30包括解復(fù)用器(demultiplex) 39，所述解復(fù)用器的
輸入被連接到解調(diào)器4的微分輸出，并接收第一和第二相位信號&、 A，并被配置為在第
一讀出階段將解調(diào)器4的輸出連接到用于基帶信號38a(對應(yīng)于俯仰角速度)的第一測量
鏈，并在第二讀出階段將解調(diào)器4的輸出連接到用于基帶信號38b (對應(yīng)于翻滾角速度)的
第二測量鏈。 從前面的討論中可以很顯然且方便的看出，所述已描述的第一實施例能夠減少與 多軸陀螺儀的MEMS結(jié)構(gòu)10相關(guān)聯(lián)的讀出電路30的電力消耗及占用的面積，原因在于設(shè)計 使用了用于DSB-SC信號的僅僅一個測量鏈。然而，該方案也帶來了這樣的事實至少是在 雙軸陀螺儀的情形下，解調(diào)對一半采樣數(shù)進(jìn)行(原因在于，俯仰和翻滾角速度是交替被讀 取的，并且以時間分割方式使用了用于DSB-SC信號的單個測量鏈)。 在讀出電路的第二實施例中，所述讀出電路被標(biāo)示為30'(見圖6)，在此為所述 DSB-SC信號設(shè)計使用了兩個不同的測量鏈，分別標(biāo)示為40a、40b (或可能的，在三維陀螺儀 的情況下，使用三個不同的測量鏈，未被圖示)，所述兩個不同的測量鏈分別用于對應(yīng)于俯 仰角速度和翻滾角速度的DSB-SC信號，每個鏈包括級聯(lián)在一起的相應(yīng)的電荷放大器2和相 應(yīng)的解調(diào)器4。 組合級，在此標(biāo)示為32'，被放置在用于DSB-SC信號40a、40b的兩個測量鏈的解調(diào) 器4的下游，并且其輸入被連接到相同解調(diào)器4的微分輸出。 更詳細(xì)的，用于DSB-SC信號的第一測量鏈(標(biāo)示為4a)，在輸入被連接到固定電極 A和C，并且獲取并參與處理與傳感塊22a、22c相關(guān)聯(lián)的電容貢獻(xiàn)，所述傳感塊22a、22c是 在第一檢測方向Xl上對齊排列的第一對傳感塊。特別的，第一測量鏈的電荷放大器2的非 反相輸入被連接到固定電極A，并且其反相輸入被連接到固定電極C，以便在輸出提供完全 微分類型的電壓變化信號，所述電壓變化信號和與這些電極相關(guān)聯(lián)的電容貢獻(xiàn)的差(A-C) 相關(guān)。 以類似的方式，用于DSB-SC信號的第二測量鏈40b被在輸入連接到固定電極B和 D，并且獲取并參與處理與傳感塊22b、22d相關(guān)聯(lián)的電容貢獻(xiàn)，所述傳感塊22b、22d是在第 二檢測方向x2上對齊排列的第二對傳感塊。特別的，所述第二測量鏈的電荷放大器2的非 反相輸入被連接到固定電極B，并且其反相輸入被連接到固定電極D，以便在輸出提供完全 微分類型的電壓變化信號，所述電壓變化信號和與這些電極相關(guān)聯(lián)的電容貢獻(xiàn)的差(B-D) 相關(guān)。 組合級32'包括已知類型的開關(guān)電容器類型的加法電路(并且在此沒有詳細(xì)描 述)，其處理在輸入接收到的信號，并將它們恰當(dāng)?shù)慕M合，從而再次執(zhí)行前面所述的第一和 第二組合表達(dá)式。特別的，組合級32同時執(zhí)行在輸入接收的信號的加法操作及相同信號的
差的操作，加法操作用于在輸出產(chǎn)生與第一組合表達(dá)式X+S-5-5相關(guān)聯(lián)的第一處理信號， 差的操作用于在輸出產(chǎn)生與第二組合表達(dá)式X-5-5+5相關(guān)聯(lián)的第二處理信號。需要注意，
在第二實施例中，不同于先前的一個，組合級32'被配置為參與處理在輸出的來自于解調(diào)器 塊的電壓信號，不是直接處理從傳感塊接收的電荷分組。 在輸出的來自于組合級32'的被處理信號(其同樣也是微分類型)，也在用于分 別對應(yīng)于俯仰和翻滾角速度的基帶信號的兩個不同的測量鏈(再次被標(biāo)示為38a、38b)中被處理。特別的，與第一組合表達(dá)式X+S-5-5相關(guān)聯(lián)的第一處理信號，被傳送到用于基帶信 號的第二測量鏈38b，其中所述第一處理信號僅代表著翻滾角速度Q,，所述第二測量鏈放 大、過濾并轉(zhuǎn)換所述信號為時間連續(xù)的信號，并且在第二輸出電極9b提供直接與相同翻滾 角速度Q,相關(guān)的信號。與所述第二組合表達(dá)式X-5-5+5相關(guān)聯(lián)的第二處理信號，被傳送
到用于基帶信號的第一測量鏈38a，其中所述第二處理信號僅代表著俯仰角速度Qy，所述 第一測量鏈放大、過濾并轉(zhuǎn)換所述信號為時間連續(xù)的信號，并且在第一輸出電極9a提供與 俯仰角速度Qy相關(guān)的信號。 從上述的討論中可以方便且明顯的看出，所描述的第二實施例使得具有最大數(shù)目
采樣的解調(diào)被執(zhí)行(原因在于它使用用于基帶信號和DSB-SC信號的兩個不同測量鏈)，但
缺陷是需要相對前面所述第一實施例來說更多的面積和消耗。進(jìn)一步的，從資源的角度看，
為獲取相同的信息內(nèi)容，處理電壓信號相比于處理電荷分組一般更繁重。 用于依據(jù)本發(fā)明提供的多軸MEMS陀螺儀的讀出電路的優(yōu)點，由此清楚的融合在
前面的描述中。 特別的，再次需要強(qiáng)調(diào)的是所提出的電路方案，使得它可能以一種簡單且有效的 方式獲取與要檢測的圍繞翻滾和俯仰參考軸的角速度相相關(guān)聯(lián)的信息，開始于與相對相同 參考軸傾斜的檢測方向相關(guān)聯(lián)的檢測信號，使用用于DSB-SC信號和用于基帶信號的測量 鏈，以調(diào)節(jié)在輸出的來自陀螺儀MEMS結(jié)構(gòu)的信號。 所述讀出電路保持信噪比不變，并反而能為角速度的檢測的靈敏度增加因子V^ 。
所描述的實施例中，其中一個使用了與各個角速度相關(guān)聯(lián)的信道的復(fù)用或時間分 割的讀取(如第一實施例所述)，其優(yōu)點尤其在于集成電路的面積和消耗電平的減少，也在 于與制造相關(guān)聯(lián)的費用的減少。 前述特征使得多軸陀螺儀特別適于集成在電子裝置中，所述電子裝置能被使用在 多種電子系統(tǒng)中，如，惰性導(dǎo)航系統(tǒng)中，汽車系統(tǒng)中，或在便攜類型的系統(tǒng)中，例如，PDA(個 人數(shù)字助理)、便攜計算機(jī)、移動電話、數(shù)字音頻播放器、照相機(jī)或攝像機(jī)、視頻游戲機(jī)控制 臺的控制器，所述電子裝置一般能夠處理、存儲、傳輸和接收信號及信息。
更具體的，圖7中示出了包括多軸MEMS陀螺儀(在此標(biāo)示為52)的電子裝置50， 其包括先前描述的MEMS結(jié)構(gòu)10 ;讀出電路30(或，類似未示出的，第二實施例的讀出電路 30');及驅(qū)動電路53，工作時耦合到驅(qū)動組件14，以對MEMS結(jié)構(gòu)10的各個驅(qū)動塊13施加 驅(qū)動運(yùn)動，并提供偏置信號到相同MEMS結(jié)構(gòu)10(以已知的方式，在此沒有詳細(xì)示出)。
有利的，驅(qū)動電路53及讀出電路30能完全以集成技術(shù)(如COMS或biCMOS類型) 提供，并進(jìn)一步被集成在半導(dǎo)體材料的芯片中(整體標(biāo)示為54)，其可以與MEMS結(jié)構(gòu)10的 芯片12—起放置在一個相同的封裝中(整體被標(biāo)示為55)(所述兩個芯片以已知的技術(shù)電 和機(jī)械連接在一起)，從而在面積占用上獲取進(jìn)一步的減少。 電子裝置50進(jìn)一步包括電子控制單元56，例如微處理器，其被連接到讀出電路 30，并被設(shè)計為管理電子裝置50的全面操作，例如，與檢測的和確定的角速度有關(guān)的操作； 輸入級57，被提供有能被用戶使用的恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)輸入元件(例如，鍵盤)；輸出級58，被提 供有恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)輸出元件(例如，顯示器的形式)；及發(fā)送/接收級59，用于由電子控制單 元56控制以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，例如以已知類型的任何無線的方式(如，Bluetooth, Wifi， IR等)。
最后，可以清楚的看到，對前面描述和示例的修改和變化，都不偏離本發(fā)明的范 圍，其由所附的權(quán)利要求進(jìn)行限定。 特別的，在檢測方向和參考軸之間的傾斜角度不同于45。角時，例如，這個角度包 括在40°和50°之間的情況，所述方案也可以有利的應(yīng)用；當(dāng)然，對于俯仰和翻滾角速度 的檢測的精度，在傾斜角度等于或接近于45。角的情況更優(yōu)?？蛇x的，在傾斜角度明顯的不 同與45°角的情況下，對于與各個電極相關(guān)聯(lián)的電荷貢獻(xiàn)(或電容變化)的組合，或與電極 相關(guān)聯(lián)的電量的組合，可能采用不同的操作。特別的，在組合級(見第一實施例)的開關(guān)陣 列，在此情況下，可能被配置為將合適的權(quán)重與每個電極相關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生所期望的組合。
進(jìn)一步的，先前描述的讀出電路經(jīng)過恰當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，能使用在微分配置中的兩個固 定電極與多軸陀螺儀的每個傳感塊相關(guān)聯(lián)的情況中。同樣在此情況中，實際上，讀出階段可 能被設(shè)計為專用于要被檢測的每個軸，優(yōu)勢在于具有用于被讀取的軸的DSB-SC讀取的單
個鏈，及相關(guān)聯(lián)的在面積和電流方面的節(jié)??；然而，不能獲得靈敏度增加因子V^ 。
可以清楚的看出，先前描述的讀出電路能夠在其他類型的多軸換能器 (transducer)(除了所描述的陀螺儀之外)方面也有有益的應(yīng)用，所述多軸換能器具有相 對于參考軸(即，要檢測和變換(transduce)的物理量所沿著的軸)來說傾斜的檢測方向 (即，相應(yīng)檢測元件的傳感方向)；例如，該電路能被使用在軸向-通量磁力儀(axial-flux magnetometers)，或在慣性加速器中。更具體的，所描述的讀出電路能被使用在要被檢測的 物理量通過時間分割的電荷讀出，被變換成完全微分SC類型的情況中。
權(quán)利要求
一種用于設(shè)有微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)的多軸陀螺儀(52)的讀出電路(30，30’)，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)具有參考軸(x，y)和沿著相應(yīng)檢測方向(x1，x2)敏感的檢測元件(22a-22d)，要檢測的相應(yīng)角速度(Ωx，Ωy)被設(shè)計為沿著所述參考軸起作用，所述檢測元件(22a-22d)被設(shè)計為生成作為所述角速度在所述相應(yīng)檢測方向(x1，x2)投影的函數(shù)的相應(yīng)檢測量；所述讀出電路(30，30’)被配置為基于所述檢測量，生成電輸出信號(OUT)，每個信號與所述角速度(Ωx，Ωy)中相應(yīng)的一個相關(guān)，其特征在于包括組合級(32，32’)，所述組合級(32，32’)被配置為將與由沿著相互不同的檢測方向敏感的檢測元件(22a-22d)生成的檢測量相關(guān)的電量電組合在一起，以便考慮所述檢測方向(x1，x2)相對于所述參考軸(x，y)的非零傾斜角(Φ)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的所述電路，其中所述組合級(32，32')被配置為將與由所述檢測元件(22a-22b)中的每一個生成的檢測量相關(guān)的電量電組合在一起。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的所述電路，其中所述檢測量包括電容變化，所述電容變化由所述檢測元件(22a-22d)相對于相關(guān)聯(lián)的固定電極(A-D)的位移產(chǎn)生，并作為所述角速度在所述相應(yīng)檢測方向(Xl，x2)上的所述投影的函數(shù)；所述電路包括輸入級(40 ;40a ;40b)，被配置為將所述電容變化轉(zhuǎn)換為調(diào)制電信號，然后基于參考信號(CK)解調(diào)所述調(diào)制電信號；輸出級(38a，38b)，被配置為接收與由所述輸入級(40 ;40a ;40b)解調(diào)的電信號相關(guān)的中間電信號，并處理所述中間電信號以生成所述電輸出信號(OUT);所述組合級(32，32')被設(shè)置在所述輸出級(38a，38b)的上游，以便與所述中間電信號中的每一個相關(guān)聯(lián)的是與所述角速度(Qx， Qy)中的相應(yīng)的一個排它地相關(guān)聯(lián)的信息內(nèi)容。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的所述電路，其中所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)進(jìn)一步設(shè)有驅(qū)動塊(13)，其被設(shè)計為以共振頻率和驅(qū)動角速度("z)被激勵；并且其中所述輸入級(40 ;40a ;40b)包括電荷放大元件(2)，其被設(shè)計為放大所述電容變化并且生成由與所述驅(qū)動角速度("z)相關(guān)的載波振幅調(diào)制的DSB-SC(雙邊帶抑制載波)類型的所述調(diào)制電信號；解調(diào)元件(4)，級聯(lián)到所述電荷放大元件(2)，并被設(shè)計為解調(diào)DSB-SC類型的所述調(diào)制電信號；并且其中所述輸出級(38a，38b)包括采樣元件(6)，被設(shè)計為對所述中間電信號進(jìn)行采樣并生成采樣電信號；以及濾波級(8)，其被級聯(lián)到所述采樣元件(6)，并被設(shè)計為過濾所述采樣電信號，至少移除與所述共振頻率相關(guān)的頻率成分，以生成所述電輸出信號(OUT)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的所述電路，其中所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)具有俯仰參考軸(x)和翻滾參考軸(y)，俯仰角速度(Qxx)和翻滾角速度(Qy)分別沿著俯仰參考軸(x)和翻滾參考軸(y)起作用，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)還設(shè)有在第一檢測方向0q)敏感的第一檢測元件(22a)和第二檢測元件(22c)，以及在第二檢測方向(x2)敏感的第三檢測元件(22b)和第四檢測元件(22d)，所述第一檢測方向(Xl)和所述第二檢測方向(x2)相對于所述俯仰(x)參考軸和翻滾(y)參考軸傾斜包括在40。和50°之間的角度，優(yōu)選為基本上等于45。；其中所述第一檢測元件(22a)和第三檢測元件(22b)及所述第二檢測元件(22c)和第四檢測元件(22d)相對于所述翻滾參考軸(y)成對的設(shè)置在相對側(cè)，所述第一檢測元件(22a)和第四檢測元件(22d)及所述第二檢測元件(22c)和第三檢測元件(22b)相對于所述俯仰參考軸(x)成對的設(shè)置在相對側(cè)；其中所述組合級(32，32')被配置為通過將與由所述第一檢測元件(22a)和第三檢測元件(22b)生成的檢測量相關(guān)的第一符號的電量和與由所述第二檢測元件(22c)和第四檢測元件(22d)生成的檢測量相關(guān)的并與所述第一符號相反的第二符號的電量相加，來執(zhí)行第一組合操作，以生成與所述翻滾角速度(Qy)相關(guān)的第一輸出信號；并通過將與由所述第一檢測元件(22a)和第四檢測元件(22d)生成的檢測量相關(guān)的 所述第一符號電量和與由所述第二檢測元件(22c)和第三檢測元件(22b)生成的檢測量相 關(guān)的所述第二符號電量相加，來執(zhí)行第二組合操作，以生成與所述俯仰角速度(Qx)相關(guān)的 第二輸出信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的所述電路，其中所述電量與所述檢測量一致，并包括電容變化，所 述電容變化由于所述檢測元件(22a-22d)相對于相關(guān)聯(lián)的固定電極(A-D)的位移產(chǎn)生并作 為所述角速度在所述相應(yīng)檢測方向(Xl，x2)上的投影的函數(shù)；其中所述組合級(32)具有輸 入，所述輸入被設(shè)計為電連接到所述固定電極(A-D)以便在輸入接收所述電容變化，且所 述組合級被配置為執(zhí)行由對相互不同的所述檢測方向敏感的所述檢測元件(22a-22b)生 成的電容變化的組合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的所述電路，其中所述組合級(32)具有輸入并包括一組開關(guān)元件(34-37)，所述輸入接收相位信號(^ ， & )，所述開關(guān)元件能夠由所述相位信號驅(qū)動，以成 對的短路所述固定電極(A-D)并執(zhí)行所述電容變化的所述組合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的所述電路，包括級聯(lián)到所述組合級(32)的電荷放大元件(2);其 中所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)具有俯仰參考軸(x)和翻滾參考軸(y)，俯仰角速度(Qx)和 翻滾角速度(Qy)分別沿著俯仰參考軸(x)和翻滾參考軸(y)起作用，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu) (10)還設(shè)有與第一固定電極(A)和第二固定電極(C)相關(guān)聯(lián)的在第一檢測方向(Xl)上敏 感的第一對檢測元件(22a，22c)，及與第三固定電極(B)和第四固定電極(D)相關(guān)聯(lián)的在第 二檢測方向(x2)上敏感的第二對檢測元件(22b，22d)，所述第一檢測方向(Xl)和所述第二 檢測方向(x2)相對于所述俯仰參考軸(x)和翻滾(y)參考軸傾斜包括在40。和50°之間 的傾斜角度，優(yōu)選為基本上等于45。；其中所述一組開關(guān)元件(34-37)包括第一開關(guān)元件 (34)，連接在所述第一固定電極(A)和所述第三固定電極(B)之間，并由所述相位信號中的 第一相位信號(^ )控制；第二開關(guān)元件(35)，連接在所述第二固定電極(C)和所述第四固 定電極(D)之間，由所述第一相位信號(&)控制；第三開關(guān)元件(36)，連接在所述第二固 定電極(C)和所述第三固定電極(B)之間并由所述相位信號中的第二相位信號(pp)控制； 及第四開關(guān)元件(37)，連接在所述第一固定電極(A)和所述第四固定電極(D)之間，由所述 第二相位信號(W)控制；并且其中所述組合級(32)還限定所述第一固定電極(A)與所述 電荷放大元件(2)的第一輸入之間的直接連接，和所述第二固定電極(C)與所述電荷放大 元件(2)的第二輸入之間的直接連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的所述電路，包括設(shè)有單個輸入測量鏈(40)的輸入級，所述單個輸 入測量鏈(40)與所述組合級(32)級聯(lián)并且被配置為將電容變化的所述組合轉(zhuǎn)換為調(diào)制電 信號，然后解調(diào)所述電信號為參考信號(CK)的函數(shù)；其中所述一組開關(guān)元件(34-37)被設(shè) 計為由所述相位信號(&， A)驅(qū)動，以為所述角速度(Qx， Qy)中的每一個執(zhí)行所述電容 變化的相應(yīng)組合，并依據(jù)與所述相位信號(&， A)值有關(guān)的時間分割方案，在不同時間提供所述電容變化的所述相應(yīng)組合給所述單個輸入測量鏈(40)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的所述電路，進(jìn)一步包括輸出級(38a，38b)，其包括用于所述角 速度(Qx， Qy)中每一個的相應(yīng)輸出測量鏈(38a，38b)，所述輸出測量鏈(38a，38b)被配置為接收由所述單個輸入測量鏈(40)解調(diào)的電信號，并處理所述解調(diào)的電信號以生成所 述電輸出信號(OUT);及解復(fù)用級(39)，其被級聯(lián)到所述單個輸入測量鏈(40)，并具有相應(yīng)輸入以接收所述相位信號(<3R ， & )，并且被配置為在輸出提供來自所述單個輸入測量鏈 (40)的所述解調(diào)電信號到選擇的輸出測量鏈，所述選擇的輸出測量鏈?zhǔn)且罁?jù)所述相位信號 ((3R ， (3P )的值在所述相應(yīng)輸出測量鏈(38a， 38b)中選擇的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3的所述電路，其中所述輸入級包括用于所述角速度(Qx， Qy)中每 一個的不同的輸入測量鏈(40a，40b)，且所述輸出級(38a，38b)包括用于所述角速度(Qx， Qy)中每一個的不同的輸出測量鏈(38a，38b);且其中所述組合級(32')被設(shè)置在所述輸 入級(40a，40b)和所述輸出級(38a，38b)之間，并包括加法元件(32')，所述加法元件被配 置為執(zhí)行由每個所述輸入測量鏈(40a，40b)解調(diào)的電信號的相應(yīng)求和，以便產(chǎn)生所述中間 電信號。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll的所述電路，其中所述加法元件(32')通過使用開關(guān)電容技術(shù)實現(xiàn)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求ll的所述電路，其中所述多軸陀螺儀(52)的所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu) (10)具有俯仰參考軸(x)和翻滾參考軸(y)，俯仰角速度(Qx)和翻滾角速度(Qy)分別 沿著俯仰參考軸(x)和翻滾參考軸(y)起作用，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)一步設(shè)有在第一檢 測方向Oq)上敏感的第一對檢測元件(22a，22c)，及在第二檢測方向(x2)上敏感的第二對 檢測元件(22b，22d)，第一固定電極(A)和第二固定電極(C)與所述第一對檢測元件(22a， 22c)相關(guān)聯(lián)，第三固定電極(B)和第四固定電極(D)與所述第二對檢測元件(22b，22d)相 關(guān)聯(lián)，所述第一檢測方向(Xl)和所述第二檢測方向(x2)相對于所述俯仰(x)參考軸和翻 滾(y)參考軸傾斜包括在40。和50°之間的角度，優(yōu)選為基本上等于45。；其中所述輸入 級包括第一輸入測量鏈(40a)，連接到所述第一固定電極(A)和第二固定電極(C)，并被 配置為產(chǎn)生第一電信號，所述第一電信號被解調(diào)為與所述第一固定電極(A)和第二固定電 極(C)相關(guān)聯(lián)的電容變化的差的函數(shù)；及第二輸入測量鏈(40b)，連接到所述第三固定電極 (B)和第四固定電極(D)，并被配置為產(chǎn)生第二電信號，所述第二電信號被解調(diào)為與所述第 三固定電極(B)和第四固定電極(D)相關(guān)聯(lián)的電容變化的差的函數(shù)；并且其中所述加法元 件(32')被配置為執(zhí)行所述第一和第二解調(diào)電信號的差與和，以便分別生成第一中間電信 號和第二中間電信號，所述第一中間電信號和第二中間電信號被設(shè)計為基本上同時分別傳 送到所述輸出測量鏈(38a，38b)中的第一輸出測量鏈和第二輸出測量鏈。
14. 一種多軸陀螺儀(52)，包括微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(IO)，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)具有參考 軸(x， y)和沿著相應(yīng)檢測方向(Xl， x2)敏感的檢測元件(22a-22d)，要檢測的相應(yīng)角速度 (Qx， Qy)設(shè)計為沿著所述參考軸(x，y)起作用，所述檢測元件被設(shè)計為產(chǎn)生作為所述角速 度在所述檢測方向的投影的函數(shù)的相應(yīng)檢測量，特征在于所述檢測方向0q， x2)相對于所 述參考軸(x，y)傾斜非零傾斜角(①)，并包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路(30，30')。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的所述陀螺儀，其中所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)具有俯仰參考軸 (x)和翻滾參考軸(y)，俯仰角速度(Qx)和翻滾角速度(Qy)分別沿著俯仰參考軸(x)和 翻滾參考軸(y)起作用，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括在第一檢測方向0q)上敏感的第 一對檢測元件(22a，22c)及在第二檢測方向(x2)上敏感的第二對檢測元件(22b，22d)，所 述第一檢測方向(Xl)和所述第二檢測方向(x2)相對于所述俯仰(x)參考軸和翻滾(y)參考軸傾斜包括在40。和50°之間的角度，優(yōu)選為基本上等于45。；所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu) (10)進(jìn)一步包括通過彈性錨定元件(18a，18b)錨定到襯底(12a)的驅(qū)動塊(13)，所述驅(qū)動 塊(13)被設(shè)計為受振蕩頻率的驅(qū)動運(yùn)動激勵；所述檢測元件(22a-22d)包括相應(yīng)傳感塊， 所述傳感塊通過相應(yīng)的彈性支持元件(24)懸吊在所述驅(qū)動塊(13)中并被耦合到所述驅(qū)動 塊(13)，以便在所述驅(qū)動運(yùn)動中相對所述驅(qū)動塊固定，并響應(yīng)于所述俯仰(Q x)角速度和翻 滾(Qy)角速度執(zhí)行相應(yīng)檢測運(yùn)動。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的所述陀螺儀，其中所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)還具有偏轉(zhuǎn)(z)參 考軸，偏轉(zhuǎn)角速度(Qz)沿著所述偏轉(zhuǎn)參考軸起作用，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括對所 述偏轉(zhuǎn)角速度(Qz)敏感的第三對檢測元件(28，28')，其由相應(yīng)傳感塊構(gòu)成，所述相應(yīng)傳感 塊通過相應(yīng)的彈性支持元件(29)懸吊在所述驅(qū)動塊(13)中并被耦合到所述驅(qū)動塊(13)， 以便在所述驅(qū)動運(yùn)動中相對所述驅(qū)動塊固定，并響應(yīng)于所述偏轉(zhuǎn)角速度(Qz)執(zhí)行相應(yīng)檢 測運(yùn)動。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的所述陀螺儀，其中所述第一對的所述檢測元件(22a，22c)在所 述第一檢測方向Oq)上對齊排列，并且所述第二對的所述檢測元件(22b，22d)在所述第二 檢測方向(x2)上對齊排列。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15的所述陀螺儀，其中所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)集成在半導(dǎo)體材料 的第一芯片(12)中；進(jìn)一步包括驅(qū)動電路(53)，被設(shè)計為驅(qū)動所述驅(qū)動塊(13)，并與所述 讀出電路(30， 30') —起被集成在半導(dǎo)體材料的第二芯片(54)中；所述第一芯片(12)和 所述第二芯片(54)被設(shè)置在相同封裝(55)中。
19. 一種電子裝置(50)，包括依據(jù)權(quán)利要求14的多軸陀螺儀(52)和控制電路(56)， 所述控制電路(56)在工作時耦合到所述多軸陀螺儀并被設(shè)計為管理與所述檢測的角速度 (Qx， Qy)有關(guān)的所述電子裝置。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的所述裝置，是選擇于下面的組的便攜類型的PDA(個人數(shù)字助 理)裝置；便攜計算機(jī)；移動電話；數(shù)字音頻播放器；照相機(jī)或攝像機(jī)；視頻游戲控制臺的 控制器。
全文摘要
檢測方向與參考軸傾斜的多軸MEMS陀螺儀及其讀出電路，所述多軸陀螺儀具有微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)(10)具有參考軸(x，y)，沿著參考軸要檢測的角速度(Ωx，Ωy)起作用，還具有檢測元件(22a-22d)，它們在相應(yīng)檢測方向(x1，x2)敏感，并產(chǎn)生作為所述角速度在所述檢測方向的投影的函數(shù)的相應(yīng)檢測量；所述讀出電路產(chǎn)生電子輸出信號(OUT)，每一個信號與所述角速度中相應(yīng)的一個相關(guān)，并作為所述檢測量的函數(shù)。組合級(32，32’)相對彼此電組合與檢測量相關(guān)的電量，所述檢測量由對于相互不同的檢測方向敏感的檢測元件生成，以便考慮所述檢測方向相對于所述參考軸的非零傾斜角(Φ)。
文檔編號G01C19/56GK101788567SQ200911000019
公開日2010年7月28日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者C·卡米納達(dá), L·普蘭迪 申請人:意法半導(dǎo)體股份有限公司