[发明专利]对振动微机电陀螺仪中的驱动幅度的连续监测

说明书

本发明公开了对振动微机电陀螺仪中的驱动幅度的连续监测。本公开内容涉及一种微机电陀螺仪，其包括至少一个质量元件、驱动致动器和感测电极。所述至少一个质量元件被配置为由驱动致动器驱动以进行具有驱动振荡频率ω_D的振荡运动，并且所述感测电极被配置为从所述至少一个质量元件的振荡运动产生感测信号。陀螺仪控制电路包括以频率2ω_D检测感测信号幅度的幅度检测单元。该幅度产生对驱动振荡幅度的量度。以频率ω_D进行的幅度检测产生对角旋转速率的量度。

技术领域

本发明涉及振动微机电(MEMS)陀螺仪并且涉及对其操作的连续监测。

背景技术

MEMS陀螺仪使用科里奥利效应(Coriolis Effect)测量角速度。在振动MEMS陀螺仪中，质量元件由致动驱动力驱动以进行振荡运动。在本公开内容中，该振荡将被称为“驱动振荡”，并且其可以是线性的或旋转的。图1示出了被驱动为沿其主轴a₁线性振荡的质量件，而图2示出了被驱动为绕其主轴a₂旋转振荡的质量件。驱动振荡在两个图中以实心黑色箭头表示。致动驱动力可以由例如静电致动器、磁性致动器或压电致动器产生。

微机电陀螺仪可以包括参考框架，一个或更多个质量元件用允许质量元件以至少两个自由度移动的弹簧结构连接至所述参考框架。参考框架通常围绕质量元件。参考框架和质量元件通常被配置用于彼此相关的电测量。质量元件可以在由参考框架限定的平面内或在由参考框架限定的平面外振荡。

当包含处于驱动振荡的质量元件的陀螺仪经受关于不与主轴平行的次轴的角旋转速率Ω时，质量元件受到科里奥利力的影响。科里奥利力由角旋转速率矢量和质量元件速度矢量的大小和方向决定。处于驱动振荡的质量元件将经受振荡科里奥利力。该力使质量元件沿着或关于垂直于主轴的次轴振荡。本公开内容中沿着或关于次轴的振荡将被称为“感测振荡”。

在图1和图2中，角旋转速率Ω用白色箭头表示，感测振荡用灰色箭头表示。感测振荡在图1中为沿着轴a₃的线性振荡，而在图2中为关于轴a₃的旋转振荡。换言之，图1和图2中的次轴是a₃。感测振荡可以通过与固定参考框架相关的电容感测、压电感测或压阻感测进行检测。在本公开内容中，由该检测产生的电信号将被称为“感测信号”。

在本公开内容中，术语“感测振荡幅度”是指陀螺仪中的质量元件在经受感测振荡时从其休息位置偏移的最大程度。术语“驱动振荡幅度”是指陀螺仪中的质量元件在经受驱动振荡时从其休息位置偏移的最大程度。感测振荡幅度和驱动振荡幅度都可以是如图1和图2所示的线性距离或角度。

相应地，在本公开内容中，术语“感测振荡频率”和“驱动振荡频率”分别表示质量元件在感测振荡和驱动振荡中振荡的频率。符号ω_D表示本公开内容中的驱动振荡频率。框架、质量元件和弹簧可以被设计成使得感测振荡频率呈现等于或非常接近驱动振荡频率的值。

可以用一个驱动致动器驱动若干质量元件。驱动运动同时传输到所有质量元件。对若干质量元件的同时电容性监测有助于各种差分电容的测量。差分电容测量比单边测量噪声小，因为它们使得感测振荡(由角速率产生)能够与额外的电容信号(可能由其他振动或加速度产生)更清楚地分离。实现清楚分离的一种方式是以相反的相位驱动质量元件(例如，当一个质量件沿a₁轴在正方向上移动时驱动另一质量件在负方向上移动，或者当一个质量件沿a₁轴在负方向上移动时驱动另一质量件在正方向上移动)。这些质量元件的感测振荡也将处于相反的相位(当一个质量件沿a₃轴在正方向上移动时另一质量件将在负方向上移动，或者当一个质量件沿a₃轴在负方向上移动时另一质量件将在正方向上移动)。这种差分模式感测振荡(由角速率产生)可以清楚地区别于其中上述两个质量件沿着a₃轴在相同的方向上移动的共模运动(由其他振动或加速度产生)。