[发明专利]用于微机电陀螺仪的数字控制器

说明书

本发明涉及用于微机电陀螺仪的数字控制器。提供了用于MEMS陀螺仪的数字控制电路。该数字控制电路包括：数字主回路电路，其被配置成处理数字化的主信号；数字副回路电路，其被配置成处理数字化的副信号；以及数字相移滤波器电路，其被配置成根据数字化的主信号产生两个相移解调信号。数字副回路被配置成使用所述两个相移解调信号对数字化的副信号进行解调。

技术领域

本发明涉及微机电(MEMS)陀螺仪，具体地涉及用于微机电陀螺仪的数字控制器。本发明还涉及MEMS陀螺仪，更具体地涉及包括数字控制器电路的MEMS陀螺仪。

背景技术

可以认为运动具有六个自由度：三个正交方向上的平移以及围绕三个正交轴的旋转。后三个可以通过角速率传感器(也称为陀螺仪)来测量。MEMS陀螺仪使用科里奥利效应(Coriolis Effect)来测量角速率。当质量块(mass)在一个方向上被驱动并且旋转角速度关于与驱动轴正交的轴被施加时，作为科里奥利力(Coriolis force)的结果，质量块相对于驱动轴和旋转轴在正交方向上经受力。科里奥利力取决于质量块的运动速度。然后可以从例如电容式感测结构、压电式感测结构或压阻式感测结构读取由科里奥利力引起的所得到的物理位移。

在MEMS陀螺仪中，与在基于角动量的保留的常规陀螺仪中一样，由于缺乏足够的轴承，主运动通常不是连续的旋转。相反，机械振荡可以用作主运动。当振荡陀螺仪经受角运动时，产生波动的科里奥利力。这产生与主运动和角运动的轴正交并且在主振荡的频率处的副振荡。该耦合的振荡的幅度可以用作角运动的量度。

微机电陀螺仪可以包括主体以及在惯性参考系内具有至少两个自由度的至少一个惯性元件。惯性元件可以包括例如：也称为主元件的驱动元件，所述驱动元件悬挂至主体，用于第一方向上的振动主运动；以及也称为副元件或科里奥利元件的感测元件，所述感测元件耦接至驱动元件以在第二方向上接收正交科里奥利力分量，从而使感测元件在振动副运动中移动。另一方面，可以使用单个惯性元件，该单个惯性元件被配置成在第一方向上具有主运动而在另一方向上具有副运动，该惯性元件还被配置成用于第三方向上的旋转运动。

质量块-弹簧结构通常通过在一些频率(称为其振荡频率，该振荡频率具有比其他频率更大的振幅)处自然地振荡呈现谐振或谐振行为。在这些谐振频率下，位移因此远大于在同一激励幅度的其它频率下的位移，并且在MEMS结构的小型化尺寸下导致干扰检测的非线性和/或超范围状况。

通常通过抑止用于检测的副元件的检测到的运动来消除这些干扰。在反馈阻尼或主动阻尼中，检测到的位移被监测，产生相对力以对抗运动。在一些已知系统中，已经用闭合反馈回路实现了主动阻尼。在所谓的力反馈阻尼方法中，滤波和/或其他信号处理包括在用于调整反馈回路的响应函数的反馈回路中。

陀螺仪设计中的另一个挑战是正交误差运动。在理想的陀螺仪结构中，主振荡和副检测精确正交。然而，在实际装置中，存在缺陷，引起震动质量块的主运动位移与陀螺仪的副运动的直接耦合。这种直接耦合称为正交误差。角运动信号与正交信号之间的相位差为90度，这意味着基本上可以用相敏解调来消除正交误差。然而，与角运动信号相比，正交信号可能非常大，因此可能引起对读出电子设备的动态范围或相位解调的相位精度的不合理的要求。

处理该误差源的一种已知方法是在产生正交信号之前移除导致传感器结构移动的误差信号的静电正交消除。为此，可以将与主振荡精确同相并且平行于副振荡的静电力施加到震动质量块。

相关技术的描述

美国专利7509830公开了用于监视具有数字频率合成器以及具有数字分量和模拟分量的主控制回路和副控制回路的旋转速率传感器的方法。该解决方案没有用于调整副回路的频率和增益行为的任何力反馈。没有公开对运动中的非理想性的补偿。

美国专利申请2007/0180908公开了用于补偿正交误差消除信号的模拟方法。正交误差消除电路产生用于补偿模拟副信号中的正交误差的正交误差消除信号。