振動陀螺儀中諧振器和科里奧利軸控制的系統(tǒng)、裝置、方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及振動陀螺儀中諧振器和科里奧利軸控制的系統(tǒng)、裝置和方法。一種用于振動式陀螺儀系統(tǒng)的陀螺儀控制電路包括開環(huán)RSP控制電路和閉環(huán)CSP控制電路。陀螺儀控制電路可選地包括Q補償電路以補償由于在諧振器信號路徑Q的變動的陀螺儀靈敏度的變化。諧振器信號路徑和科里奧利信號路徑可具有相互成比例的轉(zhuǎn)導因子，使得靈敏度陀螺儀直接隨著諧振器信號路徑品質(zhì)因數(shù)(Q)而變化。
【專利說明】
振動陀螺儀中諧振器和科里奧利軸控制的系統(tǒng)、裝置、方法
技術領域
[0001 ] 本發(fā)明一般涉及振動陀螺儀(例如，MEMS振動陀螺儀），并更具體地涉及在這種振 動陀螺儀中控制諧振器信號路徑和科里奧利信號路徑。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 振動陀螺儀系統(tǒng)包括用于感測一些慣性質(zhì)量塊相對于參考框架的轉(zhuǎn)動的傳感器 (陀螺儀)和一些支持電路。振動陀螺儀的操作是基于科里奧利效應。因此，陀螺儀具有兩個 正交的軸。一般來說，慣性質(zhì)量塊被驅(qū)動以具有沿第一軸線的一些速度;進一步，質(zhì)量塊是 典型的共振結構，并因此該軸將被稱為諧振器軸。由于科里奧利效應，當質(zhì)量塊相對于觀測 參照幀轉(zhuǎn)動時，也會有沿著第二軸施加的科里奧利力。所述第二軸被稱作科里奧利軸?？梢?感測到對科里奧利軸的力的作用，并且可以計算出旋轉(zhuǎn)。
[0004] 支持電路提供至少兩種功能。首先，支持電路驅(qū)動質(zhì)量塊沿著諧振腔軸運動。該電 路與陀螺儀一起被稱為諧振器信號路徑(RSP)或簡稱為諧振器。第二，支持電路檢測沿著科 里奧利軸的信號。該電路與陀螺儀一起被稱為科里奧利信號路徑(CSP)或加速度計。
[0005] 許多當前的振動型陀螺儀使用開環(huán)CSP和閉環(huán)RSP，用于健壯靈敏度。這使得該系 統(tǒng)敏感于陀螺儀沿科里奧利軸的品質(zhì)因數(shù)。然后，諧振器和科里奧利模式故意分成頻率，以 使即使在存在科里奧利軸Q的變化下，科里奧利軸的激勵是偏共振，和響應是穩(wěn)定。當模式 拆分可以在工廠進行并保持足夠穩(wěn)定時，該方法適用于低Q的諧振器。對于高Q陀螺儀，這不 是可接受的解決方案，因為由于模式分裂的Q減少將取消使用高Q結構的優(yōu)勢。另一個解決 辦法是隨溫度校準靈敏度。然而，這是昂貴的，例如涉及多通自動測試設備(ATE)測試，并且 是較不可靠的。
【具體實施方式】 [0006] 概述
[0007] 在一個示例實施例中，提供了一種包括陀螺儀控制電路和加速度計的裝置，所述 陀螺儀控制電路用于具有諧振器質(zhì)量塊的振動陀螺儀，和所述加速度計用于產(chǎn)生科里奧利 輸出率信號，其中該陀螺儀控制電路包括諧振器信號路徑和科里奧利信號路徑。諧振器信 號路徑包括開環(huán)諧振器信號路徑控制電路，其被配置來基于諧振器的感測信號驅(qū)動諧振器 質(zhì)量塊的運動，而不使用包含于諧振器感測信號中的振幅信息。科里奧利信號路徑包括閉 環(huán)科里奧利信號路徑控制電路，其被配置以基于科里奧利感測信號產(chǎn)生科里奧利輸出速率 信號，并基于科里奧利感測信號提供反饋信號給加速度計。
[0008] 在另一示例實施例，提供了一種陀螺儀系統(tǒng)，包括陀螺儀和陀螺儀控制電路。陀螺 儀包括諧振器塊和加速度計，用于產(chǎn)生科里奧利輸出信號。陀螺儀控制電路包括：（a)包括 開環(huán)諧振器信號路徑控制電路的諧振器信號路徑，經(jīng)配置以基于諧振器感測信號驅(qū)動諧振 器質(zhì)量塊的運動，而不使用包含于諧振器感測信號中的振幅信息，和(b)科里奧利信號路徑 包括閉環(huán)科里奧利信號路徑控制電路，其被配置以基于科里奧利感測信號產(chǎn)生科里奧利輸 出速率信號，并基于科里奧利感測信號提供反饋信號到加速度計。
[0009] 在各種替代實施例中，陀螺儀控制電路還可以包括Q補償電路，其經(jīng)配置以當陀螺 儀工作時基于諧振器信號路徑Q的變化而補償陀螺儀靈敏度的變化。補償電路可以包括Q測 量電路，其經(jīng)配置成測量諧振器信號路徑Q，在這種情況下，Q補償電路可進一步乘法器或從 Q測量電路到開環(huán)諧振器信號路徑控制電路的反饋回路，所述乘法器組合測量的諧振器信 號路徑Q和由閉環(huán)科里奧利信號路徑控制電路產(chǎn)生的科里奧利輸出速率信號，以產(chǎn)生經(jīng)補 償?shù)目评飱W利輸出速率信號，其中所述開環(huán)諧振器信號路徑控制電路進一步被配置為基于 所測量的諧振器信號路徑Q調(diào)整諧振器驅(qū)動信號，以減少諧振器信號路徑Q的偏差。當陀螺 儀是操作時，Q測量電路可以被配置為響應于不同的驅(qū)動力評估諧振器塊的性能參數(shù)。陀螺 儀可以被模式匹配。諧振器信號路徑和科里奧利信號路徑可具有彼此成比例的轉(zhuǎn)導因子， 使得陀螺儀的靈敏度直接隨著諧振器信號路徑品質(zhì)因數(shù)(Q)而變化。
[0010] 在某些實施例中，ASIC晶片上實現(xiàn)的諧振控制電路可粘接到含有陀螺儀的單獨 MEMS晶片。在其它實施例中，諧振器控制電路和所述陀螺儀在常見的晶片上實現(xiàn)。
[0011] 在另一個示例性實施例中，提供了一種操作振動陀螺儀的方法，所述振動陀螺儀 具有包括諧振器質(zhì)量塊的諧振器信號路徑和具有包括加速度計的科里奧利信號路徑，所述 加速度計用于產(chǎn)生科里奧利輸出速率信號。該方法包括:使用開環(huán)控制操作諧振器信號路 徑，其中所述諧振器質(zhì)量塊的運動基于諧振器感測信號所驅(qū)動，而不使用包含于諧振器感 測信號的振幅信息；以及采用閉環(huán)控制操作科里奧利信號路徑，其中科里奧利輸出速率信 號是基于科里奧利感測信號，和反饋信號基于科里奧利感測信號被提供給加速度計。
[0012] 在各種替代實施方式中，該方法可以進一步包括:測量諧振器信號路徑品質(zhì)因數(shù) (Q)，和當陀螺儀工作時，基于諧振器信號路徑Q的變化，補償陀螺儀靈敏度的變化。
[0013] 附加實施例可以被公開并要求保護。
[0014] 附圖的簡要說明
[0015] 通過參考下面的詳細描述，實施例的前述特征將更加容易地理解，參考附圖，其 中：
[0016] 圖1是示出具有陀螺儀和示例性開環(huán)RSP控制電路的陀螺儀系統(tǒng)的示意圖，如本領 域中已知；
[0017] 圖2示出具有陀螺儀和示例性閉環(huán)RSP控制電路的陀螺儀系統(tǒng)的示意圖，如本領域 中已知；
[0018] 圖3是表示具有陀螺儀和示例性閉環(huán)CSP控制電路的陀螺儀系統(tǒng)的示意圖，如本領 域中已知；
[0019] 圖4是示出根據(jù)一個具體的示例性實施例，包括陀螺儀和陀螺儀控制電路的陀螺 儀系統(tǒng)的示意圖，陀螺儀控制電路具有Q補償電路，經(jīng)配置成基于諧振器軸線Q的測量估計 執(zhí)行后處理校正;和
[0020] 圖5是示出根據(jù)一個具體的示例性實施例，包括陀螺儀和陀螺儀控制電路的陀螺 儀系統(tǒng)的示意圖，陀螺儀控制電路具有Q補償電路，經(jīng)配置成調(diào)節(jié)RSP驅(qū)動以補償諧振器軸Q 的變化。
[0021] 應當指出，前述附圖和其中所示的元件不必按比例一致或任何比例。除非上下文 另有說明，相同的元件用相同的標號表示。
【具體實施方式】 [0022] 的詳細描述
[0023] 如在【背景技術】中討論地，振動陀螺儀系統(tǒng)包括用于感測一些慣性質(zhì)量塊相對于參 考框架的轉(zhuǎn)動的傳感器(陀螺儀)和一些支持電路。振動型陀螺儀的操作是基于科里奧利效 應。因此，陀螺儀具有兩個正交的軸。一般來說，慣性質(zhì)量塊被驅(qū)動以具有沿第一軸線的一 些速度;進一步，質(zhì)量塊是典型的共振結構，因此該軸將被稱為諧振器軸。由于科里奧利效 應，當質(zhì)量塊相對于觀測參照幀轉(zhuǎn)動時，也會有沿著第二軸施加的科里奧利力。所述第二軸 被稱作科里奧利軸。感測對科里奧利軸的力的作用，并可以計算出旋轉(zhuǎn)。
[0024] 支持電路提供至少兩種功能。首先，支持電路驅(qū)動質(zhì)量塊沿著諧振器軸的運動。該 電路與陀螺儀一起被稱為諧振器信號路徑(RSP)或簡稱為諧振器。第二，支持電路檢測沿科 里奧利軸的信號。該電路與陀螺儀一起被稱為科里奧利信號路徑(CSP)或加速度計。
[0025] -般而言，每個信號路徑可使用三種類型的控制機制操作，對于本專利申請的目 的，其被稱為"開放"控制，"開環(huán)"控制以及"閉環(huán)"控制。如在本說明書和所附權利要求中所 用，下列詞匯具有指出的含義，除非上下文另有所指：
[0026] "開放" RSP控制機構或電路(其可以在本文簡稱為"開放RSP"）驅(qū)動質(zhì)量塊的運動， 沒有任何反饋環(huán)路以基于質(zhì)量塊的從動運動調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作的一個或多個參數(shù)。RSP "開放" 控制的示例是提供驅(qū)動信號（例如，固定的振幅時鐘）到一組驅(qū)動電極的驅(qū)動電路，以基于 感測的運動誘導沿諧振軸質(zhì)量塊的運動，而沒有任何類型的反饋回路來調(diào)節(jié)驅(qū)動信號。RSP "開放"控制的另一個不例是K.Y.Park等人，"laterally oscillated and force-balanced micro vibratory rate gyroscope supported by fish hook shape springs"。IEEE微機 電系統(tǒng)研討會，第494-499,1997(以下稱為"帕克參考"），其中等式5描述應用于一組驅(qū)動電 極的電壓(稱為"突出形狀梳狀驅(qū)動"電極），沒有提到反饋信號。應當注意，在開放RSP中，該 激勵的頻率僅由所施加的驅(qū)動信號來確定，并且不一定涉及慣性質(zhì)量塊的屬性。
[0027] "開環(huán)" RSP控制機構或電路(其可在本文中簡單地稱為"開環(huán)RSP"）包括反饋路徑 以維持質(zhì)量塊的振蕩，而不調(diào)節(jié)振蕩或質(zhì)量塊的速度的幅度。圖1是示出具有陀螺儀102和 示例性開環(huán)RSP控制電路120的陀螺儀系統(tǒng)100的概略圖，如本領域中公知地。開環(huán)RSP控制 電路120和陀螺儀102的組合可以形成正反饋環(huán)路，其中，極限周期行為用于維持振蕩。如果 圍繞該環(huán)路的相移等于零度，環(huán)路將維持振蕩。由此，開環(huán)RSP的操作敏感于陀螺儀中作為 頻率的函數(shù)的相移。與開放RSP的操作相反，該屬性可用于維持振蕩恰好在陀螺儀的共振頻 率。具體地講，一組諧振器感電極104的信號由讀出放大器121放大，并供給到鎖相環(huán)(PLL) 的控制器122,進而設置由驅(qū)動器放大器123向一組諧振驅(qū)動電極106提供的驅(qū)動信號的頻 率和相位。由于開環(huán)RSP控制電路120不規(guī)范諧振器質(zhì)量塊的幅度或速度，因此它被認為是 開環(huán)，而不是本專利申請的上下文內(nèi)中的閉環(huán)，即使它包括反饋環(huán)路。現(xiàn)有技術使用正反饋 回路以在諧振驅(qū)動諧振器軸，例如，如在C? T ?-C ? Nguyen，"micromechanical resonators for oscillators and filters"，IEEE超聲研討會，第489_499，1995年。在該專利申請的環(huán) 境下，Nguyen的RSP控制電路被認為是開環(huán)RSP，因為采用正反饋在這里僅僅用于維持振蕩 (BP，替代由于阻尼和阻力的能源損失）。
[0028] "開環(huán)" CSP控制機構或電路(其可在本文中簡單地稱為"開環(huán)CSP"）感測質(zhì)量塊的 運動，沒有任何反饋回路以基于質(zhì)量塊的感測的運動來調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作的一個或多個參數(shù)。 CSP的"開放"控制的示例是讀出電路，其處理來自加速度計的檢測信號，而沒有返回至加速 度計的反饋環(huán)路，諸如用于使加速度計檢測質(zhì)量塊(其可以是RSP的共振質(zhì)量塊，或者可以 是單獨質(zhì)量塊)沿科里奧利軸回到名義位置。開環(huán)CSP是讀出科里奧利信號的常規(guī)方式，例 如，如在F ? Ayaz i，K ? NAJAFI "de s i gn and fabrication of high-performance polysilicon vibrating ring gyroscope"，IEEE微機電系統(tǒng)研討會，第621-626,1998(以 下稱為"Ayazi參考"）。在這種情況下，感測電子觀察沿科里奧利軸陀螺儀的任何變化(在這 種情況下，電容的變化）。該Ayazi參考也似乎描述開環(huán)RSP，其中，諧振器軸經(jīng)由驅(qū)動電極由 正弦靜電力驅(qū)動。據(jù)推測，該激發(fā)在諧振器軸(其中描述作為主模式)的諧振頻率附近。 [0029] "閉環(huán)"RSP控制機構或電路(其可被簡稱本文中"閉環(huán)RSP"）包括用于諧振器的速 度幅度控制的負反饋電路。圖2是示出的具有陀螺儀202和示例性閉環(huán)RSP控制電路220的陀 螺儀系統(tǒng)200的概略圖，如本領域公知地。閉環(huán)RSP控制電路220包括反饋回路，其感測所述 諧振器塊的兩個諧振頻率和諧振的幅度，并調(diào)節(jié)由驅(qū)動放大器223提供到一組諧振器驅(qū)動 電極206的驅(qū)動信號，以便保持讀出放大器221的輸出的固定振幅。具體地講，一組諧振器傳 感電極204的信號由讀出放大器放大221。讀出放大器221的輸出被提供給鎖相環(huán)(PLL)調(diào)節(jié) 器222和幅度探測器224。鎖相環(huán)222設置驅(qū)動放大器223的驅(qū)動信號頻率和相位，而幅度檢 測器224輸出組合自動增益控制電壓(VAGC)，來調(diào)整驅(qū)動放大器223的輸出。驅(qū)動功率放大 器223的輸出電壓被提供給一組諧振器驅(qū)動電極206。由于閉環(huán)RSP控制電路220調(diào)節(jié)振幅或 諧振器質(zhì)量塊的速度，因此它在本專利申請的上下文內(nèi)被認為是閉環(huán)?，F(xiàn)有技術也將振幅 控制元件添加到諧振器軸，例如在T.K.Tang等的"A packaged silicon MEMS vibratory gyroscopefor microspacecraft"，IEEE微機電系統(tǒng)研討會，第500-505，1997年（下文稱為 "唐參考"）也增加了振幅控制元件到諧振器軸。在該專利申請的上下文中，唐的振幅控制元 件被認為閉環(huán)RSP，因為負反饋回路用于伺服質(zhì)量塊沿著諧振器軸線的峰值位移?，F(xiàn)有技術 也使用負反饋(閉環(huán)RSP)來控制除了峰值位移的其他RSP參數(shù)。例如，閉環(huán)RSP可以用于控制 諧振步頁率，如R.Leland"Adaptive mode tuning for vibrational gyroscopes"控制系統(tǒng) 技術IEEE學報，11卷，2期，第242~247頁，2003年3月。
[0030] "閉環(huán)" CSP控制機構(其可本文中簡稱"閉環(huán)CSP"）包括力反饋回路，其中沿著科里 奧利軸線施加靜電力以平衡科里奧利力。圖3是示出具有一個陀螺儀302和示例性閉環(huán)控制 的CSP電路310的陀螺儀系統(tǒng)300的概略圖，如本領域已知得。閉環(huán)CSP控制電路310包括反饋 回路，其感測沿軸線科里奧利質(zhì)量塊的位移，并調(diào)整所述反饋信號以保持質(zhì)量塊在其自然 位置。具體地講，一組科里奧利軸感測電極308的信號由讀出放大器311放大，并通過模數(shù)轉(zhuǎn) 換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值312。該數(shù)字值表示該陀螺儀系統(tǒng)300的輸出速率信號350,并通過 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)反饋到一組科里奧利軸驅(qū)動電極310。帕克參考也提供閉環(huán)控制的CSP的 示例。
[0031] "集合"包含一個或多個元件。如本專利申請的上下文中使用時，一組電極可以包 括一個電極或者可以包括多個電極。
[0032] 在某些情況下，術語"陀螺儀"用于指代陀螺儀系統(tǒng)的機械陀螺儀結構，諸如諧振 器塊，加速計檢測質(zhì)量塊(其可以是諧振器塊本身或單獨質(zhì)量塊），以及用于驅(qū)動的運動諧 振器質(zhì)量塊的各個電極組，加速度計檢測質(zhì)量塊的感測運動，以及通常還包括其他功能(例 如，諧振器質(zhì)量塊的感測運動，例如用于開環(huán)RSP或閉環(huán)RSP控制和/或施加力至加速度計檢 測質(zhì)量塊，諸如用于閉環(huán)控制CSP)。在其他情況下，術語"陀螺儀"一般用于指整個陀螺儀系 統(tǒng)，包括機械陀螺儀結構和相關聯(lián)的陀螺儀控制電路。
[0033] 使用開放或開環(huán)控制機制的主要優(yōu)點是簡單。然而，機械系統(tǒng)(諸如，陀螺儀)往往 是內(nèi)在不穩(wěn)定的，并且常會隨溫度或環(huán)境壓力變化。采用閉環(huán)控制機制的主要優(yōu)勢在于特 定參數(shù)的變異可以控制的，諸如溫度或環(huán)境壓力的效果。具有典型的負反饋配置中，我們只 關心環(huán)路增益比單位大得多。在這種情況下，閉環(huán)增益將取決于反饋因子。
[0034] 如在【背景技術】討論得，許多當前的振動型陀螺儀使用開環(huán)CSP和閉環(huán)RSP，用于健 壯靈敏度。這使得該系統(tǒng)敏感于CSP Q。然后，諧振器和科里奧利模式被故意分頻，以使科里 奧利軸的激勵是離峰和不敏感于科里奧利Q。當模式拆分可以在工廠進行并保持足夠穩(wěn)定 時，這種方法適用于低Q諧振器。對于高Q陀螺儀，這不是可接受的解決方案，因為由于模式 分裂的Q減少將抵消使用高Q結構的好處。另一個解決辦法是隨溫度校準靈敏度。然而，這是 昂貴的，例如涉及多通自動測試設備(ATE)測試，并且是較不可靠的。
[0035] 也已知同時使用閉環(huán)RSP和CSP，例如R. Oboe ? E ? Lasalandra，"Control of a z-axis MEMS vibrational gyroscope"，機電一體化IEEE/ASME學術論文，第 10卷，第4期，第 364-370,2005年8月。在此配置中，該系統(tǒng)是不敏感于Q，但敏感于反饋路徑中的轉(zhuǎn)導機制； 例如，從反饋電壓到施加到陀螺儀的機械力的轉(zhuǎn)導。許多陀螺儀系統(tǒng)具有對環(huán)境壓力很敏 感的轉(zhuǎn)導機制。
[0036] 在本發(fā)明的實施例中，振動式陀螺儀系統(tǒng)的陀螺儀控制電路包括開環(huán)RSP控制電 路和閉環(huán)CSP控制電路。據(jù)
【發(fā)明人】的了解，開環(huán)RSP和閉環(huán)CSP的組合尚未在振動型陀螺儀使 用，但可以是有利的，如下面所討論。
[0037] 通常(盡管不是必須的），陀螺儀將模式匹配。模匹配可以在任意的多種方式來執(zhí) 行。例如，陀螺儀機械結構可經(jīng)設計，使得諧振器和科里奧利軸模式匹配，或陀螺儀控制電 路可包括模式匹配伺服(例如，如在美國專利號8151641和美國專利中所述號8616055描述 的，其和在申請時和主題專利申請共同擁有，并以其全部并入本文作為參考）。
[0038] 使用閉環(huán)CSP，如果環(huán)路增益比單位大得多，增益(從科里奧利力到CSP輸出）是轉(zhuǎn) 導因子F1(從電壓強制）的函數(shù)。因此，只要Q和任何其他的CSP增益足夠大，CSP的增益不依 賴于傳感器品質(zhì)因數(shù)Q。根據(jù)一個示例性實施例，下面的等式提供用于閉環(huán)CSP靈敏度的估 計。
[0039] 科里奧利力(FCQR)可以表示如下：
[0040] Fc〇R = 2mAgQz velRES [0041 ]其中：
[0042] Ag=角度增益；
[0043] m =質(zhì)量塊；以及
[0044] ve Ires =諧振軸速度。
[0045] 反饋力(Ffb)可表示如下：
[0046] FFB = Dout Vdac Vb dC/dx
[0047] 其中：
[0048] D?t =輸出位；
[0049] Vdac = DAC 全程；
[0050] Vb =跨越反饋電極間隙的偏置；以及 [0051 ] dC/dx =電容與位移變化。
[0052]通過科里奧利力等同反饋力，反饋工作。重新排列靈敏度導致：
[0053] S = Dout/Q z= (2m Ag dx velRES)/(Vdac Vb dC)。
[0054]使用開環(huán)RSP，質(zhì)量塊的速度是轉(zhuǎn)導因子X(力的電壓）和傳感器品質(zhì)因數(shù)Q(即，從 力到速度的轉(zhuǎn)導）的乘積的函數(shù)。根據(jù)一個示例性實施例，下面的等式提供用于開環(huán)RSP諧 振器速度的估計值。
[0055]轉(zhuǎn)導至力(FRES)的固定驅(qū)動可表示為：
[0056] FRES = Vrd Vb dC/dx
[0057] 其中：
[0058] Vrd =諧振驅(qū)動電壓。
[0059] 這種力轉(zhuǎn)化為速度(velRES)如下：
[0060] VelRES=(Qr FRES)/(m〇r)
[0061] 其中：
[0062] m =諧振器質(zhì)量塊；
[0063] cor =諧振器軸共振;和 [0064] Qr =諧振器軸品質(zhì)因數(shù)。
[0065] 結合這些方程導致：
[0066] velRES=(Qr/mc〇r)Vrd Vb dC/dx
[0067]應當指出，上述等式假設平行板轉(zhuǎn)導（即，對于給定的軸，dc/dx=eA/g2,其中，g是 電極間隙，A是電極面積），如果所有轉(zhuǎn)導用梳子邊替換（即，DC/DX = yeh/g的，其中"y"表示 電場的邊緣部），其結果是非常相似的。
[0068]科里奧利效應描述成比例于旋轉(zhuǎn)速度和RSP速度的乘積的力。該科里奧利力然后 由CSP處理以生成輸出信號。通常(盡管不是必須的），轉(zhuǎn)導因子X和Y是互相成比例，假設CSP 和RSP使用用于靜電致動(例如，兩者都使用類似梳狀電極或兩者都使用類似的平行平板電 極）的方法。因此，如上所述，使用開環(huán)RSP和閉環(huán)的CSP，整個系統(tǒng)的靈敏度(從輸入旋轉(zhuǎn)的 CSP輸出）涉及XI 1和諧振器軸Q的乘積，具體如下：
[0070]其中：
[0071] gcd =科里奧利軸力反饋電極間隙；
[0072] Acd =科里奧利軸力反饋電極面積；
[0073] grd =諧振器軸驅(qū)動電極間隙；和 [0074] Ard =諧振器軸驅(qū)動電極面積。
[0075] 因此，系統(tǒng)的靈敏度取決于諧振器軸線Q(例如，在上面的方程中，靈敏度將隨著Qr 變化）。假設轉(zhuǎn)導因子X和Y互相成比例，使得X和F1的乘積基本上是恒定的，該系統(tǒng)的靈敏度 基本上僅取決于諧振器軸線Q(例如，在上述方程中，靈敏度將直接隨著Q r變化）。
[0076] 因此，為了使系統(tǒng)的靈敏度相對于環(huán)境變化魯棒，某些替換實施例另外包括補償 電路以調(diào)整變化諧振軸品質(zhì)因數(shù)(Q)。在諧振器軸線Q的變化可以通過多種方式由補償電路 來調(diào)節(jié)。
[0077] 在某些實施例中，補償電路被配置為測量諧振器軸線Q的估計，并基于諧振器軸線 Q所測量的估算執(zhí)行后處理校正。諧振器軸線Q可以例如使用線性調(diào)頻、清掃或曲線擬合技 術測量，如本領域已知的。在鎖相環(huán)系統(tǒng)中，Q可以例如從45度相移引起的頻率偏移測量，45 度相移切換到二進制分頻器鏈的諧振反饋抽頭?？商娲兀琎可以從通過從諧振已知的頻率 偏移引起的振幅變化來測量(例如，測量在諧振頻率和也在共振頻率+/_5 %的諧振質(zhì)量塊 的幅度)或由相對_3dB帶寬的倒數(shù)。美國專利號8701459也描述了一種用于測量諧振器軸線 Q的技術;該專利被在申請主題時專利申請共同擁有，并通過引用將其全部特此并入本文。
[0078] 諧振器軸線Q也可以使用在申請同日提交、相關美國臨時專利申請?zhí)?2/144126， 題為Quality Factor Estimation For Resonators中描述的技術來測量，該申請在本文中 以全文引入作為參考。這里，測量振蕩MEMS諧振器的品質(zhì)因數(shù)包括：當陀螺儀操作時，響應 于不同的驅(qū)動力評估諧振器的性能參數(shù)。例如，該補償電路可以在第一階段和第二階段之 間交替，在第一階段中，諧振器通過施加具有第一振幅和具有第一持續(xù)時間的驅(qū)動信號，然 后在第一振幅施加驅(qū)動信號的第一時間測量諧振器的運動的參數(shù)，驅(qū)動諧振器到振蕩，在 第二階段中，其中所述諧振器是通過在小于第一振幅的第二幅度施加驅(qū)動信號，然后在第 二振幅施加驅(qū)動信號的第二施加重新測量諧振器的運動的參數(shù)，驅(qū)動諧振器。以舉例的方 式，在一些實施例中，諧振器的運動參數(shù)是諧振器的運動幅度。在其它實施例中，諧振器的 運動參數(shù)是諧振器的速度，和在其它實施例中，諧振器的運動參數(shù)是正比于諧振器的速度 的電流。
[0079] 圖4是示出根據(jù)一個具體的示例性實施例，包括陀螺儀402和具有Q補償電路的陀 螺儀控制電路的陀螺儀系統(tǒng)400的示意圖，所述Q補償電路經(jīng)配置成基于諧振器軸線Q的測 量估算執(zhí)行后處理校正。在此，陀螺儀控制電路包括閉環(huán)CSP控制電路410(例如，具有圖3所 示類型），開環(huán)RSP控制電路420 (例如，具有圖1所示類型），和具有在現(xiàn)有基礎上測量諧振器 軸線Q的測量電路430的Q補償電路。Q補償電路還包括乘法器440,它結合從Q測量電路430所 測量的諧振器軸線Q與由閉環(huán)CSP控制電路410產(chǎn)生的科里奧利輸出信號以產(chǎn)生輸出速率信 號 450。
[0080] 在某些替代實施例中，補償電路被配置為另外地調(diào)整RSP驅(qū)動器以補償Q變異，即 在一定范圍的操作參數(shù)(例如，溫度)盡量保持恒定的諧振器軸速度。注意，這仍然是開環(huán) RSP，因為驅(qū)動電壓的變化不會影響陀螺儀的Q;因此不存在反饋回路。
[0081] 圖5是示出根據(jù)一個具體示例性實施例的陀螺儀系統(tǒng)500的示意圖，所述陀螺儀系 統(tǒng)500包括陀螺儀502和具有Q補償電路的陀螺儀控制電路，所述Q補償電路經(jīng)配置成調(diào)節(jié) RSP驅(qū)動以補償諧振器軸Q的變化。在此，陀螺儀控制電路包括閉環(huán)CSP控制電路510 (例如， 具有圖3所示的類型），開環(huán)RSP控制電路520(例如，具有圖1所示的類型），和在現(xiàn)有基礎上 測量諧振器軸線的Q測量電路530的Q補償電路。Q補償電路還包括乘法器540,結合來自Q測 量電路530所測量的諧振器軸線Q與由閉環(huán)CSP控制電路510所產(chǎn)生的科里奧利輸出信號以 產(chǎn)生輸出速率信號55CKQ補償電路另外還包括反饋環(huán)路560以調(diào)節(jié)由驅(qū)動放大器523產(chǎn)生， 并基于Q測量電路530測量的諧振器軸線Q提供給該組諧振器驅(qū)動電極506的驅(qū)動信號。
[0082] 應當指出，開環(huán)CSP和閉環(huán)RSP(如在上面討論的唐參考)是類似的，不同之處在于， 系統(tǒng)的靈敏度將正比于科里奧利軸Q。然而，校正科里奧利軸Q更為困難，因為，不同于諧振 器軸，科里奧利軸在陀螺儀的正常操作期間不連續(xù)地激勵，因為它的激勵依賴于設備的旋 轉(zhuǎn)。
[0083] 應當指出，上述類型的陀螺儀控制電路可在獨立于機械陀螺儀組件的設備中實現(xiàn) (例如，陀螺儀控制電路可在ASIC晶片上形成，其稍后粘結到包含機械陀螺儀結構的單獨 MEMS晶片），或者可以在和機械陀螺儀組件的相同設備中實現(xiàn)(例如，陀螺儀控制電路和機 械陀螺儀的結構可以形成在共同的晶片上，諸如集成MEMS處理）。因此，本發(fā)明的實施例可 以包括陀螺儀控制單獨電路和陀螺儀系統(tǒng)，其包括該陀螺儀控制電路結合機械陀螺儀結 構。
[0084]應當注意，箭頭可用于附圖以表示通信、傳輸或涉及兩個或多個實體的其他活動。 雙端箭頭一般表示活動可發(fā)生在兩個方向上(例如，一個方向上的命令/請求，相應的答復 在其他方向，或者通過任一實體發(fā)起的對等通信），但在某些情況下，活動不一定發(fā)生在兩 個方向上。單端箭頭通常表示活動完全或主要在一個方向上，但是應該指出，在某些情況 下，該定向活動實際上可涉及兩個方向上的活動。因此，在特定附圖中使用的箭頭類型以表 示特定活動是示例性的，不應被看作是限制性的。
[0085] 上述陀螺儀的控制電路可體現(xiàn)為許多不同的形式，并且可以包括處理器(例如，微 處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器或通用計算機)與相關聯(lián)的計算機程序邏輯、具有相關 聯(lián)的可編程邏輯的可編程邏輯器件（例如，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)或其他PLD)、離散組 件、集成電路(例如，專用集成電路(ASIC))，或包括它們的任意組合的任何其他方式。實現(xiàn) 一些或全部所描述的功能的計算機程序邏輯通常被實現(xiàn)為一組計算機程序指令，其被轉(zhuǎn)換 為計算機可執(zhí)行的形式、因此存儲在計算機可讀介質(zhì)中，并且在操作系統(tǒng)的控制下由微處 理器執(zhí)行。實施一些或全部的所描述功能的基于硬件的邏輯可以利用一個或多個適當配置 的FPGA實現(xiàn)。
[0086] 實現(xiàn)所有或部分先前在此描述功能的計算機程序邏輯可以體現(xiàn)為各種形式，包括 (但絕不限于)源代碼形式、計算機可執(zhí)行形式和各種中間形式(例如，由匯編器、編譯器、連 接器或定位器產(chǎn)生的表格）。源代碼可以包括在任何不同的編程語言實現(xiàn)的一系列計算機 程序指令(例如，對象代碼、匯編語言或高級語言，諸如Fortran、C、C++、JAVA或HTML)，使用 各種操作系統(tǒng)或操作環(huán)境。源代碼可以定義和使用各種數(shù)據(jù)結構和通信消息。源代碼可以 是在計算機可執(zhí)行形式(例如，經(jīng)由解釋器），或者源代碼可以被轉(zhuǎn)換(例如，經(jīng)由翻譯器、匯 編器或編譯器)成計算機可執(zhí)行形式。
[0087] 實現(xiàn)所有或部分先前在此描述功能的計算機程序邏輯可以在不同時間上在單一 處理器執(zhí)行（例如，同時）或者可以在多個處理器上的相同或不同的時間來執(zhí)行，并且可以 在單一的操作系統(tǒng)進程/線程或不同的操作系統(tǒng)進程/線程下運行。因此，術語"計算機過 程"通常是指一組計算機程序指令的執(zhí)行，而不管不同計算機進程是否在相同或不同的處 理器執(zhí)行，并且不管不同計算機程序是否在相同的操作系統(tǒng)進程/線程或不同的操作系統(tǒng) 進程/線程下運行。
[0088] 該計算機程序可以被固定在永久地或短暫地在有形存儲介質(zhì)中的任何形式（例 如，源代碼形式、計算機可執(zhí)行形式或中間形式），諸如半導體存儲器器件(例如，RAM、R0M、 PR0M、EEPR0M或閃存可編程RAM)，磁存儲裝置(例如，軟盤或固定盤），光存儲器設備（例如， CD-ROM)，PC卡(例如，PCMCIA卡)或其他存儲器設備。該計算機程序可以任何方式固定于信 號，使用各種通信技術透射到計算機，包括(但不限于)模擬技術、數(shù)字技術、光學技術、無線 技術(如，藍牙），其、網(wǎng)絡技術和互聯(lián)網(wǎng)絡技術。該計算機程序可以分布在任何形式的可移 動存儲介質(zhì)與隨附的印刷或電子文檔（例如，收縮包裝軟件）、預加載計算機系統(tǒng)(例如，在 系統(tǒng)ROM或固定盤），或者從服務器或電子公告板通過通信系統(tǒng)(例如，因特網(wǎng)或萬維網(wǎng)）分 布。
[0089] 實現(xiàn)這里先前描述的所有或部分功能的硬件邏輯(包括與可編程邏輯設備一起使 用的可編程邏輯)可以使用傳統(tǒng)的手動方法來設計，或者可被設計、捕獲、模擬或記錄電子 地使用各種工具，諸如計算機輔助設計(CAD)，硬件描述語言（例如，VHDL或AHDL)，或PLD編 程語言（例如，PALASM、ABEL或CUPL)。
[0090] 可編程邏輯可被永久或短暫地固定在有形存儲介質(zhì)中，諸如半導體存儲器器件 (例如，RAM、ROM、PROM、EEPR0M或閃存可編程RAM)，磁存儲裝置(例如，軟盤或固定盤），光存 儲器設備(例如，CD-ROM)，或其他存儲器設備。可編程邏輯可使用任何各種通信技術固定到 可透射到計算機的信號，包括(但決不限于)模擬技術、數(shù)字技術、光學技術、無線技術(如， 藍牙）、網(wǎng)絡技術和互聯(lián)技術?？删幊踢壿嬁梢苑植甲鳛榭梢苿拥拇鎯橘|(zhì)與隨附的印刷或 電子文檔(例如，收縮包裝軟件），預加載有計算機系統(tǒng)(例如，在系統(tǒng)ROM或固定盤），或從服 務器或電子公告板分發(fā)通過通信系統(tǒng)(例如，因特網(wǎng)或萬維網(wǎng)）。當然，本發(fā)明的一些實施例 可以被實現(xiàn)為軟件(例如，計算機程序產(chǎn)品）和硬件的組合。仍然本發(fā)明的其它實施例被實 現(xiàn)為完全的硬件或完全的軟件。
[0091] 重要的是，應當注意，本發(fā)明的實施例可以采用常規(guī)的組件，例如常規(guī)計算機(例 如，離架現(xiàn)成的計算機、大型機、微處理器），常規(guī)的可編程邏輯器件（例如，現(xiàn)成的FPGA或 PLD)或常規(guī)的硬件部件(例如，離架現(xiàn)成的ASIC或離散硬件組件），其中，當編程或配置成執(zhí) 行本文所描述的非傳統(tǒng)方法時，產(chǎn)生非傳統(tǒng)裝置或系統(tǒng)。因此，關于本文中所描述沒有什么 常規(guī)，因為實施例使用常規(guī)組件實施，所得的設備和系統(tǒng)(例如，本文所描述的陀螺儀控制 電路)不一定是非傳統(tǒng)，因為不存在特殊的編程或配置，所述常規(guī)組件本身不執(zhí)行所描述的 非傳統(tǒng)方法。
[0092] 在不脫離本發(fā)明的真正范圍的情況下，本發(fā)明可以體現(xiàn)在其它特定形式，以及許 多變化和修改將基于本文的教導對于本領域技術人員是顯而易見的。"發(fā)明"的任何引用意 在指本發(fā)明的示例性實施例，并且不應當被解釋為指本發(fā)明的所有實施例，除非上下文另 有要求。所述實施例在所有方面都僅是示例性的而不是限制性加以考慮。
【主權項】
1. 一種包括陀螺儀控制電路和加速度計的裝置，所述陀螺儀控制電路用于具有諧振器 質(zhì)量塊的振動陀螺儀，和所述加速度計用于產(chǎn)生科里奧利輸出率信號，其中所述陀螺儀控 制電路包括： 包括開環(huán)諧振器信號路徑控制電路的諧振器信號路徑，所述開環(huán)諧振器信號路徑控制 電路被配置來基于諧振器的感測信號驅(qū)動諧振器質(zhì)量塊的運動，而不使用包含于諧振器感 測信號中的振幅信息； 包括閉環(huán)科里奧利信號路徑控制電路的科里奧利信號路徑，所述閉環(huán)科里奧利信號路 徑控制電路被配置以基于科里奧利感測信號產(chǎn)生科里奧利輸出速率信號，并基于科里奧利 感測信號提供反饋信號給加速度計。2. 如權利要求1所述的裝置，進一步包括Q補償電路，其經(jīng)配置以當陀螺儀工作時基于 諧振器信號路徑Q的變化而補償陀螺儀靈敏度的變化。3. 如權利要求2所述的裝置，其中，所述Q補償電路包括： Q測量電路，其經(jīng)配置成測量諧振器信號路徑Q。4. 如權利要求3所述的裝置，其中，所述Q補償電路進一步包括： 乘法器，組合測量的諧振器信號路徑Q和由閉環(huán)科里奧利信號路徑控制電路產(chǎn)生的科 里奧利輸出速率信號，以產(chǎn)生經(jīng)補償?shù)目评飱W利輸出速率信號。5. 如權利要求3所述的裝置，其中，所述Q補償電路進一步包括從Q測量電路到開環(huán)諧振 器信號路徑控制電路的反饋回路，其中，所述開環(huán)諧振器信號路徑控制電路進一步被配置 為基于所測量的諧振器信號路徑Q調(diào)整諧振器驅(qū)動信號，以減少諧振器信號路徑Q的偏差。6. 如權利要求3所述的裝置，其中，所述Q測量電路被配置為當陀螺儀操作時，響應于不 同的驅(qū)動力評估諧振器質(zhì)量塊的性能參數(shù)。7. 如權利要求1所述的裝置，其中，所述陀螺儀是模式匹配。8. 如權利要求1所述的裝置，其中，所述諧振器信號路徑和科里奧利信號路徑具有彼此 成比例的轉(zhuǎn)導因子，使得陀螺儀的靈敏度直接隨著諧振器信號路徑品質(zhì)因數(shù)(Q)而變化。9. 如權利要求1所述的裝置，進一步包括ASIC晶片，其中，諧振器控制電路形成在ASIC 晶片上。10. -種陀螺儀系統(tǒng)，包括： 陀螺儀包括諧振器塊和加速度計，用于產(chǎn)生科里奧利輸出信號； 陀螺儀控制電路包括：（a)包括開環(huán)諧振器信號路徑控制電路的諧振器信號路徑，經(jīng)配 置以基于諧振器感測信號驅(qū)動諧振器質(zhì)量塊的運動，而不使用包含于諧振器感測信號中的 振幅信息，和(b)科里奧利信號路徑包括閉環(huán)科里奧利信號路徑控制電路，其被配置以基于 科里奧利感測信號產(chǎn)生科里奧利輸出速率信號，并基于科里奧利感測信號提供反饋信號到 加速度計。11. 如權利要求10所述的陀螺儀系統(tǒng)，其中，所述陀螺儀控制電路進一步包括Q補償電 路，當陀螺儀運行時，所述Q補償電路經(jīng)配置來基于諧振器信號路徑Q的變化而補償陀螺儀 的靈敏度的變化。12. 如權利要求11所述的陀螺儀系統(tǒng)，其中Q補償電路包括:Q測量電路，經(jīng)配置成測量 所述諧振器信號路徑Q。13. 如權利要求12所述的陀螺儀系統(tǒng)，其中，Q補償電路進一步包括： 乘法器，組合測量的諧振器信號路徑Q和由閉環(huán)科里奧利信號路徑控制電路產(chǎn)生的科 里奧利輸出速率信號，以產(chǎn)生經(jīng)補償?shù)目评飱W利輸出速率信號。14. 如權利要求12所述的陀螺儀系統(tǒng)，其中，所述Q補償電路進一步包括從Q測量電路到 開環(huán)諧振器信號路徑控制電路的反饋回路，其中，所述開環(huán)諧振器信號路徑控制電路進一 步被配置為基于所測量的諧振器信號路徑Q調(diào)整諧振器驅(qū)動信號，以減少諧振器信號路徑Q 的偏差。15. 如權利要求12所述的陀螺儀系統(tǒng)，其中，所述Q測量電路被配置為當陀螺儀操作時， 響應于不同的驅(qū)動力評估諧振器質(zhì)量塊的性能參數(shù)。16. 如權利要求10所述的陀螺儀系統(tǒng)，其中，所述陀螺儀是模式匹配的。17. 如權利要求10所述的陀螺儀系統(tǒng)，其中，諧振器信號通路和科里奧利信號路徑具有 彼此成比例的轉(zhuǎn)導因子，使得陀螺儀的靈敏度直接隨諧振器信號路徑品質(zhì)因數(shù)(Q)變化。18. 如權利要求10所述的陀螺儀系統(tǒng)，其中，所述諧振控制電路實現(xiàn)在ASIC晶片上，其 中所述陀螺儀實施在結合到AS IC晶片的單獨MEMS晶片上。19. 如權利要求10所述的陀螺儀系統(tǒng)，其中，諧振器控制電路和所述陀螺儀在常見的晶 片上實施。20. -種操作振動陀螺儀的方法，所述振動陀螺儀具有包括諧振器質(zhì)量塊的諧振器信 號路徑和具有包括加速度計的科里奧利信號路徑，所述加速度計用于產(chǎn)生科里奧利輸出速 率信號，所述方法包括： 使用開環(huán)控制操作諧振器信號路徑，其中所述諧振器質(zhì)量塊的運動基于諧振器感測信 號所驅(qū)動，而不使用包含于諧振器感測信號的振幅信息；以及 采用閉環(huán)控制操作科里奧利信號路徑，其中科里奧利輸出速率信號是基于科里奧利感 測信號，和反饋信號基于科里奧利感測信號被提供給加速度計。21. 如權利要求20所述的方法，進一步包括： 測量諧振器信號路徑品質(zhì)因數(shù)(Q);和 當陀螺儀工作時，基于諧振器信號路徑Q的變化，補償陀螺儀靈敏度的變化。
【文檔編號】G01C19/5776GK106052667SQ201610154517
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年3月18日 公開號201610154517.5, CN 106052667 A, CN 106052667A, CN 201610154517, CN-A-106052667, CN106052667 A, CN106052667A, CN201610154517, CN201610154517.5
【發(fā)明人】R·A·卡普斯塔
【申請人】美國亞德諾半導體公司