IT201600081227A1

IT201600081227A1 - Giroscopio mems con regolazione di frequenza e cancellazione elettrostatica dell'errore di quadratura

Info

Publication number: IT201600081227A1
Application number: IT102016000081227A
Authority: IT
Inventors: Daniele Prati; Carlo Valzasina; Pasquale Franco; Tiziano Chiarillo
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2018-02-02
Also published as: US10444013B2; US20180038692A1; EP3279609B1; EP3279609A1; CN108663037B; CN108663037A

Description

"GIROSCOPIO MEMS CON REGOLAZIONE DI FREQUENZA E CANCELLAZIONE ELETTROSTATICA DELL'ERRORE DI QUADRATURA"

La presente invenzione è relativa ad un giroscopio MEMS con regolazione di frequenza e cancellazione elettrostatica dell'errore di quadratura.

Come è noto, sistemi micro-elettro-meccanici (Micro-Electro-Mechanical Systems) vengono utilizzati in modo sempre più diffuso in diversi applicazioni, date le loro dimensioni ridotte, i costi compatibili con applicazioni consumer e la loro crescente affidabilità. In particolare, con tale tecnologia vengono realizzati sensori inerziali, quali giroscopi microintegrati e oscillatori elettromeccanici .

I dispositivi MEMS di questo tipo comprendono generalmente un corpo di supporto ed almeno una massa mobile, sospesa sul e accoppiata al corpo di supporto attraverso molle o "flexures". Le molle sono configurate in modo da consentire alla massa mobile di oscillare rispetto al corpo di supporto secondo uno o più gradi di libertà. La massa mobile è accoppiata capacitivamente ad una pluralità di elettrodi fissi sul corpo di supporto, formando così condensatori con capacità variabile. Quando il dispositivo MEMS opera come sensore, il movimento della massa mobile rispetto agli elettrodi fissi sul corpo di supporto, dovuto all'azione di forze agenti su di essa, modifica la capacità dei condensatori; da tale variazione viene rilevato lo spostamento della massa mobile rispetto al corpo di supporto e da questo la forza esterna che ha causato lo spostamento. Viceversa, quando il dispositivo MEMS opera come attuatore, tensioni di polarizzazione adatte vengono applicate alle massa mobile, ad esempio attraverso un gruppo separato di elettrodi di attuazione o pilotaggio ("driving"), per cui essa è soggetta ad una forza elettrostatica che ne provoca il movimento desiderato.

Fra i sensori MEMS, i giroscopi, in particolare, hanno una struttura elettro-meccanica complessa che, tipicamente, comprende almeno due masse mobili rispetto al corpo di supporto, accoppiate una all'altra in modo da avere un numero di gradi di libertà dipendente dalla architettura del sistema. Nella maggioranza dei casi, ogni massa mobile ha uno o al massimo due gradi di libertà. Le masse mobili sono accoppiate capacitivamente al corpo di supporto attraverso elettrodi fissi e mobili di rilevamento ("sensing") e attraverso elettrodi di attuazione o pilotaggio ("driving").

In una implementazione con due masse mobili, una prima massa mobile è dedicata all'attuazione ed è mantenuta in oscillazione alla frequenza di risonanza ad una ampiezza di oscillazione controllata. La seconda massa mobile è attuata attraverso la prima massa mobile con moto oscillatorio (traslazionale o rotazionale) e, in caso di rotazione della microstruttura intorno ad un asse del giroscopio ad una velocità angolare, è soggetta ad una forza di Coriolis proporzionale alla velocità angolare stessa e perpendicolare alla direzione di attuazione. In pratica, la seconda massa mobile (attuata) agisce come accelerometro che consente di rilevare la forza di Coriolis e di rilevare la velocità angolare.

In un'altra implementazione, una singola massa sospesa è accoppiata al corpo di supporto in modo da essere mobile rispetto a quest'ultimo con due gradi di libertà indipendenti, e precisamente un grado di libertà per l'attuazione e un grado di libertà per il rilevamento. Quest'ultimo può prevedere un movimento lungo il piano della massa mobile (movimento "nel piano") o perpendicolarmente a questo (movimento "fuori dal piano").

Un dispositivo di attuazione o pilotaggio mantiene la massa sospesa in oscillazione controllata secondo uno dei due gradi di libertà. La massa sospesa si muove in base all'altro grado di libertà in risposta alla rotazione del corpo di supporto, a causa della forza di Coriolis.

Tuttavia, i giroscopi MEMS hanno una struttura complessa e spesso presentano interazioni elettromeccaniche non ideali fra la massa sospesa e il corpo di supporto, ad esempio a causa di difetti di fabbricazione e spread di processo. Di conseguenza, le componenti di segnale utile sono mescolate a componenti spurie, che non contribuiscono alla misura della velocità angolare e che sono potenziali sorgenti di rumore, il cui effetto non è prevedibile.

Ad esempio, imperfezioni nelle connessioni elastiche fra la massa sospesa e il corpo di supporto possono provocare l'oscillazione della massa sospesa lungo una direzione non coincidente perfettamente con i gradi di libertà desiderati in fase di progettazione. Tale difetto può anche causare l'insorgere di una forza avente una componente diretta lungo il grado di libertà di rilevamento della velocità angolare. Tale forza a sua volta genera una componente di segnale di ampiezza non nota, alla stessa frequenza della portante e con uno sfasamento di 90° che causa un errore, detto errore di quadratura.

Tale effetto è visibile dal confronto delle figure 1A e 1B, rappresentanti rispettivamente i movimenti di un giroscopio 1 ideale (figura 1A) e di un giroscopio non ideale 1' soggetto ad un errore di quadratura (figura 1B), in cui i giroscopi 1, 1' sono rappresentati in modo schematico, solo relativamente alle parti discusse qui di seguito.

I giroscopi l e i' hanno una massa di rilevamento 5 attuata attraverso un gruppo di attuazione 6, rappresentato da elettrodi fissi 7 (solidali ad un substrato non mostrato) ed elettrodi mobili 8, solidali alla massa di rilevamento 5, in una prima direzione (direzione di attuazione A, qui parallela ad un asse X di un sistema di riferimento cartesiano) . Un gruppo di rilevamento 10, rappresentato da elettrodi fissi 11 (solidali al substrato non mostrato) e da elettrodi mobili 12, solidali alla massa di rilevamento 5, rileva il movimento causato dalla forza di Coriolis in una seconda direzione (direzione di rilevamento B, qui parallela ad un asse Z del sistema di riferimento cartesiano).

Nel giroscopio ideale 1, la massa di rilevamento 5 è attuata in modo corretto nella direzione di attuazione A; nel giroscopio non ideale 1', invece, la massa di rilevamento 5 viene attuata in una direzione trasversale W, che presenta una componente di attuazione lungo la direzione di rilevamento B.

Il movimento spurio nella direzione di rilevamento B fa sì che il rilevamento del movimento della massa di rilevamento 5 sia affetto da un errore di quadratura.

Per compensare l'errore in quadratura, nei giroscopi noti è possibile agire in diversi punti della catena di rilevamento.

In particolare, una soluzione che permette al giroscopio di avere elevata stabilità sia in temperatura sia nel tempo è il cosiddetto metodo di cancellazione elettrostatico. Tale metodo consiste nel disporre degli elettrodi sotto ciascuna massa sospesa.

Ad esempio, la figura 2 mostra in modo semplificato un giroscopio 10 avente una struttura sospesa formante qui quattro masse di rilevamento 11, 12, 13, e 14. Le masse di rilevamento 11-14 hanno qui forma generalmente quadrangolare, ad esempio rettangolare, e sono disposte simmetricamente, a coppie, rispetto ad un centro C del giroscopio 10 e parallelamente, in condizione di riposo, al piano del disegno (piano XZ). In particolare, una prima ed una seconda massa di rilevamento 11, 12, aventi rispettive masse mi, m2, vengono pilotate lungo un primo asse di pilotaggio DI, qui parallelo all'asse X e sono disposte simmetricamente fra loro rispetto ad un secondo asse di pilotaggio D2 (asse di pilotaggio di una terza e una quarta massa di rilevamento 13, 14), perpendicolare a DI e parallelo all'asse Y. La terza ed la quarta massa di rilevamento 13, 14 sono disposte simmetricamente fra loro rispetto al primo asse di pilotaggio DI e vengono pilotate lungo il secondo asse di pilotaggio D2, come indicato. In seguito, la descrizione si riferirà solo alla prima coppia di masse di rilevamento 11, 12, ma quanto indicato si applica anche alla seconda coppia di masse 13, 14, ovviamente relativamente ai rispettivi assi di attuazione e rilevamento.

Le masse di rilevamento 11, 12 sono ancorate ad un substrato non mostrato attraverso una pluralità di molle elastiche o "flexures", di cui in figura sono mostrate solo molle elastiche 16 interposte fra le masse di rilevamento 11-14 e una massa centrale 15, articolata al substrato in corrispondenza di un centro C, in modo da poter ruotare intorno ad assi non mostrati, paralleli agli assi X, Y e passanti per il centro C. Le molle elastiche 16 forniscono alle masse di rilevamento 11, 12 due gradi di libertà, e più precisamente consentono un moto di traslazione lungo il primo asse di pilotaggio DI ed un moto di rilevamento, avente una componente in una direzione verticale D3 parallela all'asse Z.

Ciascuna massa di rilevamento 11, 12 presenta, in prossimità del baricentro, un'apertura 17, risp. 18. Al di sotto di ciascuna apertura 17, 18 sono disposte due coppie di elettrodi di compensazione 20, 21, risp. 22, 23, mostrate nella vista laterale schematizzata di figura 3. La figura 3 mostra anche un substrato 25, estendentesi al di sotto del piano della struttura sospesa di figura 2, qui rappresentata schematicamente tramite i suoi equivalenti meccanici. In particolare, qui le molle elastiche 16 di collegamento alla massa centrale 15 sono mostrate in modo schematizzato come cerniere, così come ulteriori molle elastiche 26, disposte ad estremità opposte delle masse di rilevamento 11, 12 nella rappresentazione di figura 3, e colleganti le masse mobili 11, 12 ad una struttura fissa 27, tipicamente solidale al substrato 25. Le coppie di elettrodi di compensazione 20, 21, risp. 22, 23 sono disposta in prossimità delle rispettive aperture 17, 18, rappresentate tratteggiate, in modo che ciascun elettrodo di compensazione 20-23 si estende per metà sotto la rispettiva massa di rilevamento 11, 12 e per metà sotto la rispettiva apertura 17, 18.

In presenza di errore di quadratura, le masse di rilevamento 11, 12 sono pilotate lungo direzioni non ideali MDI, MD2(figura 3) e uscenti dal piano del giroscopio 10 (piano XZ di figura 2). In particolare, le direzioni non ideali MDI, MD2possono presentare componenti lungo l'asse verticale di rilevamento parallelo all'asse Z, qui indicato con D3. Ne consegue che il giroscopio 10 delle figure 2, 3 può essere soggetto a forze di quadratura FQ (supposte uguale per le due masse di rilevamento 11, 12 e qui mostrate applicate alle estremità delle masse di rilevamento 11, 12 accoppiate alla massa centrale 15) tali da causare un movimento di rotazione (non mostrato, si veda però la figura 6A) delle masse di rilevamento 11, 12 nella direzione di rilevamento D3.

Il metodo di cancellazione elettrostatico dell'errore di quadratura prevede l'applicazione di una rispettiva tensione di compensazione VI, V2, V3, V4, di tipo continuo, agli elettrodi di compensazione 20-23. In particolare, vengono generalmente applicate tensioni di compensazione V1-V4:

VI = V3 = VCM - AV

V2 = V4 = VCM AV

in cui i valori VCM e AV vengono determinati in fase di calibratura, per ogni giroscopio 10. Le masse di rilevamento 11, 12 sono inoltre polarizzate alla tensione di rotore VR.

In pratica, gli elettrodi di compensazione 20-24 generano forze di compensazione Fc (qui mostrate applicate in posizione mediana rispetto agli elettrodi 20-23), intese a bilanciare meccanicamente le forze di quadratura FQ, eliminando il movimento dovuto all'errore di quadratura nella direzione di rilevamento D3.

Tale soluzione non è tuttavia risolutiva. Infatti, gli elettrodi di compensazione 20-24 aumentano le cause di spread dovuti ad asimmetrie e gli sbilanciamenti nella struttura del giroscopio. Inoltre, l'applicazione di tensioni aggiuntive aumenta l'effetto di "softening elettrostatico" ovvero la variazione della frequenza di risonanza di questi dispositivi, dovuta alla modifica della costante elastica del giroscopio per effetto della differenza di potenziale esistente fra le parti mobili e le parti fisse. Ad esempio, nel caso di compensazione elettrostatica sopra discussa, l'effetto di softening elettrostatico può comportare una variazione sensibile della frequenza di risonanza fo da 22 kHz a 18 kHz. Tale variazione è normalmente indicata come variazione di frequenza ("frequency mismatch").

D'altra parte, la presenza di un'elevata variazione di frequenza determina una sensibile variazione della sensibilità del giroscopio e il degrado delle sue performance.

Per ovviare al problema della variazione di frequenza dovuto al softening elettrostatico, è possibile introdurre ulteriori elettrodi di aggiustamento ("tuning") di frequenza, uno per ogni asse di rilevamento del giroscopio.

Secondo tale approccio, il giroscopio presenta quindici elettrodi (quattro elettrodi per ogni asse di rilevamento di compensazione dell'errore di quadratura, più tre elettrodi per la compensazione della variazione di frequenza) . Ne consegue che sarebbero necessari almeno nove circuiti di pilotaggio o driver 30, 31 e almeno sei convertitori DAC 32, 33 come mostrato in figura 4.

Infatti, con tale approccio, gli elettrodi di cancellazione dell'errore di quadratura, indicati con Q1X, Q2X, Q1Y, Q2Y, Q1Z, Q2Z, sono comandati in modo differenziale, secondo la [1], attraverso sei circuiti di pilotaggio 30 e tre convertitori DAC 32 (si noti che, in figura 4, è mostrato uno solo dei due elettrodi posti alla stessa tensione). La tensione differenziale applicata a ciascuna coppia di elettrodi, pari a 2AVx, 2AVy, 2AVz, è ottimizzata in modo da generare una quadratura di compensazione Qei tale da annullare l'errore di quadratura Qy, mantenendo costante la tensione di modo comune VCM, come mostrato in figura 5A. In particolare, la figura 5A mostra che, con questa soluzione, la tensione di compensazione VI, V2 applicata dipende linearmente dalla quadratura di compensazione Qei che si vuole generare.

La figura 5B mostra invece la variazione della frequenza di risonanza fo per effetto del softening elettrostatico sopra discusso in funzione della tensione di aggiustamento ("tuning voltage") VQ applicata. Come mostrato in figura 4, la tensione di aggiustamento VQ può essere applicata utiizzanto tre convertitori DAC 33 a uscita singola ("single ended").

Tale approccio comporterebbe un aumento delle dimensioni del dispositivo per la presenza degli ulteriori elettrodi Q3x, Q3y, Q3z e dei relativi circuiti di pilotaggio (convertitori DAC 33 e buffer 31).

Scopo della presente invenzione consiste nel mettere a disposizione una soluzione in grado di superare gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un giroscopio MEMS, un metodo di controllo di un giroscopio MEMS e un metodo di impostazione di parametri di compensazione in un giroscopio MEMS, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

In pratica, il presente giroscopio è configurato in modo che gli stessi elettrodi di compensazione dell'errore di quadratura agiscono in modo da controllare anche la variazione di frequenza. Questo viene ottenuto polarizzando gli elettrodi di compensazione dell'errore di quadratura con tensioni che hanno un andamento parabolico con la variazione di frequenza, come discusso in dettaglio in seguito.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

le figure 1A e 1B sono rappresentazioni schematiche dei movimenti di un giroscopio ideale e di un giroscopio non ideale, affetto da errore di quadratura, rispettivamente;

la figura 2 è una vista dall'alto semplificata di un giroscopio noto con compensazione dell' errore di quadratura;

la figura 3 è una vista in sezione trasversale schematizzata del giroscopio con compensazione dell'errore di quadratura di figura 2;

la figura 4 mostra uno schema circuitale semplificato della circuiteria di pilotaggio per il giroscopio delle figure 2, 3;

le figure 5A, 5B mostrano grandezze di compensazione utilizzabili con il giroscopio delle figure 2, 3;

la figura 6A è una vista in sezione trasversale schematizzata di un giroscopio affetto da un errore di quadratura;

la figura 6B mostra, in sezione trasversale, una forma di realizzazione del presente giroscopio;

la figura 6C è una vista dall'alto di un dettaglio del giroscopio di figura 6B;

la figura 7 mostra l'andamento di grandezze elettriche di compensazione utilizzabili nel giroscopi di figura 6B, per un valore di variazione di frequenza desiderato, in funzione della modifica delle caratteristiche elastiche del giroscopio di figura 6B;

la figura 8 mostra l'andamento della quadratura di compensazione Qei per un valore di variazione di frequenza desiderato, in funzione di una grandezza di compensazione e della variazione delle caratteristiche elastiche del giroscopio di figura 6B;

la figura 9 mostra l'andamento delle grandezze elettriche di compensazione utilizzate nel giroscopio di figura 6B in funzione della quadratura di compensazione;

la figura 10 mostra uno schema di flusso di un metodo di test per l'impostazione delle grandezze elettriche di compensazione per il giroscopio di figura 6B;

la figura 10A mostra una tabella usata nel metodo di test di figura 10;

la figura 11 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo includente il giroscopio di figura 6B e una parte di controllo;

la figura 12 mostra uno schema circuitale di componenti di pilotaggio del giroscopio di figura 6B; e la figura 13 mostra uno schema a blocchi semplificato di un apparecchio elettronico incorporante il giroscopio di figura 11.

Come indicato, il presente giroscopio è progettato in modo che gli stessi elettrodi di compensazione, che hanno la funzione di cancellare l'errore di quadratura, regolino anche la variazione di frequenza ("frequency mismatch") in modo che questo presenti un valore prefissato imposto.

A tale scopo, si faccia riferimento alle figure 6A e 6B, mostranti schematicamente rispettivamente un giroscopio 300 non compensato e un giroscopio 60, secondo una forma di realizzazione dell'invenzione, con compensazione dell'errore di quadratura e regolazione della frequenza. I giroscopi 300, 60 hanno la struttura di base del giroscopio 10 delle figure 2 e 3. Di conseguenza, nelle figure 6A-6C, le parti analoghe a quelle di figura 3 sono indicate nelle figure 6B, 6C con numeri di riferimento aumentati di 100 e in figura 6A con numeri di riferimento aumentati di 300.

In dettaglio, figura 6A, il giroscopio 300 comprende una coppia di masse mobili 311, 312 estendentisi, a riposo, parallelamente agli assi X e Y di uno spazio cartesiano XYZ, pilotate in una direzione di pilotaggio DI parallela all'asse X e oscillanti, per effetto della forza di Coriolis, in modo da presentare una componente di movimento diretta lungo una direzione di rilevamento D3 parallela all'asse Z. Le masse mobili 311, 312 sono articolate ad una massa centrale 315 tramite prime molle 316 e ad una struttura fissa 327 tramite seconde molle 326.

In figura 6A è mostrato l'effetto di un errore di quadratura sul sistema di masse 311, 312. Come mostrato, l'errore di quadratura è dovuto ad una forza spuria De, avente componenti in direzione Z, che agisce sulle due masse 311, 312 e genera un momento di quadratura Μγ.

Come si nota, il momento di quadratura Μγ è applicato per metà (Μγ/2) su ciascuna massa mobile 311, 312 e presenta un braccio b7pari alla distanza del baricentro di ciascuna massa mobile 311, 312 dalle verticali passanti per le seconde molle 326. Dalla figura 6A si nota inoltre che tale momento provoca una rotazione di ciascuna massa mobile 311, 312 in direzione opposta, a causa della connessione reciproca attraverso le prime molle 316 e la massa centrale 315, come descritto in dettaglio nella domanda di brevetto USA 2015/0114112.

La figura 6B mostra un giroscopio 60 avente struttura di base analoga a quella del giroscopio 300 ma dotato di strutture di compensazione. In particolare, il giroscopio 60 è dotato di elettrodi di compensazione 121-124 estendentisi sotto le masse mobili 111, 112, e precisamente al di sotto di aperture 117, 118 nelle masse mobili 111, 112 stesse. Gli elettrodi di compensazione 121-124 hanno la forma rettangolare e dimensioni mostrate in figura 6C e precisamente hanno lunghezza Lo (in direzione X parallela alla direzione di pilotaggio DI) e larghezza p (direzione Y). Inoltre, gli elettrodi di compensazione 121-124 sono posti a una distanza a dalle masse mobili 111, 112, misurata in direzione Z.

La figura 6B mostra inoltre elettrodi di rilevamento fissi 130, 131, disposti al di sotto di una rispettiva massa mobile 111, 112, cui sono accoppiati capacitivamente, e fornenti in uscita segnali in tensione si, s2 correlati allo spostamento delle masse mobili nella direzione di rilevamento D3, qui diretta parallelamente all'asse Z, in modo noto e qui non discusso.

La figura 6B mostra anche il momento di compensazione Mei generato dagli elettrodi di compensazione 121-124 su entrambe le masse mobili 111, 112 diretto ad annullare il momento di quadratura Μγ. In modo non mostrato e descritto qui di seguito, il momento di compensazione Mei è dato dalla sovrapposizione di quattro componenti Meii - Mei4, ciascuna generata da un rispettivo elettrodo di compensazione 121-124. Tali componenti hanno rispettivi bracci bi, b2, b3, b3⁄4pari alla distanza di ciascun elettrodo di compensazione 121-124 dalla verticale passante per la rispettiva seconda molla 126, di accoppiamento alla struttura fissa 127.

In queste ipotesi, il momento di compensazione complessivo Mei è pari a:

in cui

e Eo è la costante dielettrica nel vuoto; Lo, p sono le dimensioni degli elettrodi di compensazione 121-124, mostrate in figura 6C; Xdè l'ampiezza del movimento di pilotaggio in direzione DI; a è la distanza fra gli elettrodi di compensazione 121-124 e il piano delle masse mobili 111, 112 in stato di riposo; VRè la tensione applicata alla massa centrale 115; Vi, V2, V3, V4sono le tensioni di compensazione applicate agli elettrodi di compensazione 121-124; e bi, b2, b3, b3⁄4sono le distanze degli elettrodi di compensazione 121-124 sopra indicate.

Ponendo bi=b4e b2=b3e applicando tensioni di compensazione Vi=V3e V2=V4si ottiene:

Considerando che bi ≡ b2, dall'equazione precedente si ottiene che il momento di compensazione è dato da:

Il momento di compensazione Mei può essere usato per annullare il momento di quadratura Μγprovocato dall'errore di quadratura Qj, generando una quadratura di compensazione Qei proporzionale al momento di compensazione Mei. Si può quindi scrivere:

ΧζίΡ

in cui kq = k1e0—f b1è una costante di proporzionalità che lega la quadratura di compensazione Qei al momento di compensazione Mei che la genera.

Come si nota, la quadratura di compensazione Qei dipende dalle tensioni di compensazione Vi, V2. Quindi, applicando una tensione differenziale AV fra gli elettrodi di compensazione 121 e 122 pari alla tensione differenziale applicata fra gli elettrodi di compensazione 123 e 124, è possibile generare una forza elettrostatica che dà origine a un momento di compensazione Mei dipendente dal movimento di pilotaggio Xde dalle tensioni di compensazione Vi, V2. Tale forza elettrostatica può perciò essere utilizzata per eliminare il momento in quadratura secondo l'uguaglianza seguente:

Mei Μγ= 0 [4] che corrisponde ad avere

Qei Qy - 0 . [ 4 ' ] Come dimostrato qui sotto, con un'opportuna scelta della relazione fra Vi e V2, tramite gli stessi elettrodi di compensazione 121-124, è inoltre possibile regolare la variazione di frequenza.

Infatti, l'applicazione delle tensioni di compensazione V1-V4agli elettrodi di compensazione 121-124 determina una variazione della costante elastica complessiva del sistema di masse 111, 112 e quindi la frequenza di risonanza fs. In particolare, la frequenza di risonanza fsè data da:

in cui J è il momento di inerzia, Kmè la costante elastica meccanica, Kei_sè la costante elastica elettrostatica dovuta alla differenza di potenziale applicata fra la massa centrale 115 e gli elettrodi fissi di rilevamento 130, 131 (figura 6B), e Kei_qè la costante elastica elettrostatica dovuta alla tensione differenziale applicata fra la massa centrale 115 e gli elettrodi di compensazione 121, 122, 123, 124.

In particolare, la costante elastica elettrostatica è data da:

Dalla [6] si vede che la variazione di tensione sugli elettrodi 121-124 comporta una modifica della frequenza di risonanza fs. Quindi la variazione di frequenza Af0è pari a :

Si noti che, nella [9], roso è la frequenza di risonanza di rilevamento quando gli elettrodi di compensazione 121-124 sono polarizzati a VR.

La [3] mostra che la quadratura di compensazione Qei dipende dalla tensione differenziale fra gli elettrodi 121-124, dato che i due termini in parentesi quadra sono sottratti; mentre la [9] mostra che la variazione di frequenza Afo dipende dalla loro tensione di modo comune, dato che gli stessi due termini in parentesi quadra sono sommati. Ne consegue che, per un dato errore di quadratura Qj, è possibile trovare una coppia unica di valori delle tensioni di compensazione Vi e V2che lo compensano e che permettono al giroscopio 60 di lavorare con il valore desiderato della variazione di frequenza Afo.

Ciò è particolarmente chiaro considerando le figure 7 e 8, mostranti il rapporto fra le tensioni di compensazione Vi, V2applicate agli elettrodi di compensazione 121-124 nel giroscopio 60 di figura 6B per un valore prefissato della variazione di frequenza Afo, qui 1 kHz, e per diversi valori della costante elastica ks, crescenti da -12% (per la curva inferiore) al 12% (per la curva superiore), con incrementi del 2%, rispetto ad un valore atteso teorico.

Si noti che le curve delle figure 7 e 8 corrispondono ad applicare tensioni di compensazione Vi, V2che generano una quadratura di compensazione Qei pari in modulo e di segno opposto a Qje che seguono la legge rappresentata in figura 9. Come si nota, l'andamento delle tensioni di compensazione applicate in funzione della variazione di frequenza non è più lineare come in figura 5A, ma è quadratico e la tensione di modo comune non è più costante. Qui di seguito, verrà indicata la metodologia di test utilizzata per il presente giroscopio. Infatti, considerando la [9], si nota che essa ha tre incognite: la frequenza di attuazione fd, che può variare rispetto al valore di progetto, la frequenza di risonanza di rilevamento roso e ks/J. Di queste, fdpuò essere misurata direttamente, mentre roso e ks/J possono essere misurate indirettamente, tramite applicazione di opportune tensioni di compensazione Vi, V2e misura della variazione di frequenza Afo.

Conoscendo le tre variabili fd, roso e ks/J, e ricercando la coppia di valori delle tensioni di compensazione Vi, V2che fornisce una prefissata variazione di frequenza Afod, qui 1 kHz, è possibile capire quale delle curve di figura 7 descrive il comportamento di uno specifico giroscopio 60 sotto test, ovvero quale è la variazione della costante elastica kspresentata da tale giroscopio. Utilizzando le curve di figura 8, e la variazione percentuale del valore della costante elastica kscosì determinata, è possibile determinare il valore della prima tensione di compensazione Vi che annulla l'errore di quadratura Qj. Il valore della seconda tensione di compensazione V2può essere quindi ricavato nuovamente dalla curva di figura 7 in precedenza identificata o dalla [9].

Secondo un aspetto della presente descrizione, in fase di test, ciascun giroscopio 60 viene testato per determinare i valori delle tensioni di compensazione Vi, V2da applicare durante il funzionamento. In particolare, la procedura di test può comprendere i seguenti passi (si veda anche lo schema di flusso di figura 10):

misura della frequenza di attuazione fd, passo 200; misura indiretta della frequenza di risonanza di rilevamento roso e del parametro ks/J tramite applicazione di opportuni valori delle tensioni di compensazione Vi, V2, come sopra indicato, passo 202; acquisizione del valore della variazione di frequenza desiderato Afod(tale valore è inversamente correlato al guadagno del sistema e fissato in generale in fase di progetto), passo 204;

applicazione di una pluralità di valori delle tensioni di compensazione Vi, V2, con gradini AV ad esempio di IV, da 1 V a VR(ad es. pari a 10 V) e misura dei corrispondenti valori della variazione di frequenza Afo. I valori così ottenuti della variazione di frequenza Afo sono ad esempio salvati in una tabella 270 mostrata indicativamente in figura 10A, passo 206; ricerca di punti nella tabella 220 che sono caratterizzati dal valore della variazione di frequenza desiderato Afod, passo 208. L'insieme di tali punti rappresenta in pratica la curva (fra quelle mostrate in figura 7) corrispondente alla variazione della costante elastica ksapplicabile per il giroscopio sotto test,; identificazione, nell'insieme di punti identificati nel passo 208, del valore puntuale della prima tensione di compensazione Vi che genera una quadratura di compensazione Qei compensante l'errore di quadratura Qy sulla base delle [3] e [4], passo 210; identificazione del valore puntuale della seconda tensione di compensazione V2dalla curva identificata nel passo 208 o usando la [9], passo 212; e memorizzazione della coppia di valori delle tensioni di compensazione Vi, V2, in una memoria associata al giroscopio sotto test, come sotto descritto con riferimento alla figura 11, passo 214.

La figura 11 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo elettronico 100 utilizzante il principio di compensazione della variazione di frequenza sopra descritto.

In figura 11, il dispositivo elettronico 100 comprende il giroscopio 60, qui rappresentato tramite i suoi blocchi funzionali, ed un elemento di controllo 65.

Il giroscopio 60 è integrato in una piastrina a semiconduttori 70 mostrata schematicamente e ha struttura uguale a quella del giroscopio 10 di figura 2; quindi gli elementi descritti con riferimento alla figura 6B sono stati identificati con gli stessi numeri di riferimento. In dettaglio, la massa centrale 115 è ancorata ad un substrato non mostrato (analogo al substrato 125 di figura 6B) girevole intorno ad un asse perpendicolare al giroscopio 60 (parallelo all'asse Z) e passante per il centro C. La massa centrale 115 è accoppiata, tramite le prime molle elastiche 116, a quattro masse mobili 111-114, una sola delle quali (la massa mobile 117) è rappresentata più dettagliatamente in figura 11. Le masse mobili 111-114 sono disposte simmetricamente, a coppie, rispetto al centro C e, in condizione di riposo, si estendono parallelamente al piano del disegno (piano XY), come per il giroscopio di figura 2. Le masse mobili 111-114 hanno due gradi di libertà e sono soggette ad un moto di attuazione lungo un rispettivo asse di pilotaggio e ad un moto di rilevamento avente una componente lungo un rispettivo asse di rilevamento perpendicolare all'asse di pilotaggio. Le masse mobili 111-114 presentano quindi strutture di base simili ma sono configurate in modo da rilevare movimenti intorno ad assi diversi, in modo di per sé noto. La descrizione si riferisce quindi solo alla massa mobile 111 mostrata più in dettaglio, ma è applicabile anche alle altre masse mobili 112-114, con le dovute differenze.

In particolare, la massa mobile 111 è soggetta ad un moto di attuazione lungo l'asse di pilotaggio DI parallelo all'asse X e ad un moto di rilevamento, avente una componente lungo l'asse di rilevamento D3 parallelo all'asse Z.

La massa mobile 111 è qui schematizzata mediante una massa di rilevamento 72 e una massa di compensazione 73, fra loro solidali. La massa di rilevamento 72 può avere forma generalmente trapezoidale come mostrato in figura 2. La massa di compensazione 73 ha forma generalmente rettangolare bucata, sovrastante la coppia di elettrodi di compensazione 121, 122. In particolare, l'apertura 117 è formata nella massa di compensazione 73 e presenta due lati 117A, 117B paralleli all'asse Y. Ciascun elettrodo di compensazione 121, 122 si estende lungo un rispettivo lato 117A, 117B dell'apertura 117, per metà sotto la massa di compensazione 73 per metà sotto l'apertura 117.

La massa mobile 111 è collegata, tramite seconde molle 76 che ne consentono il movimento di rilevamento, ad un modulo di attuazione 77, che la attua nella direzione di pilotaggio DI e, attraverso terze molle 78, ad un modulo di rilevamento movimento di pilotaggio 79, avente lo scopo di rilevare gli effettivi parametri di attuazione fra cui la frequenza di attuazione fd, come sopra discusso.

Il modulo di attuazione 77 e modulo di rilevamento movimento di pilotaggio 79 sono collegati ad un modulo di controllo attuazione 85 formato nell'elemento di controllo 65. L'elemento di controllo 65 è integrato generalmente in una differente piastrina 90 ed è costituito ad esempio da un ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

L'elemento di controllo 65 comprende inoltre un modulo di rilevamento 88 collegato agli elettrodi di rilevamento 130, una memoria parametri 91, memorizzante i valori delle tensioni di compensazione Vi, V2calcolati durante la fase di test, come sopra discusso, convertitori DAC 92 e buffer 93. I convertitori DAC 92 costituiscono generatori di tensione, ciascuno dei quali è configurato in modo da applicare una tensione di compensazione Vi, V2il cui valore è specificato dal contenuto della memoria 91.

Ad esempio, ciascun convertitore DAC 92 e l'associato buffer 93 può essere realizzato come mostrato in figura 12. In pratica, nella forma di realizzazione mostrata, il convertitore DAC 92 è costituito da un partitore resistivo 95 accoppiato fra una tensione di riferimento VREFe massa e comprendente una pluralità di resistori 96 accoppiabili al buffer 93 attraverso interruttori 97 comandati in base al contenuto della memoria 91.

Il giroscopio MEMS 60 qui descritto consente quindi di regolare la variazione di frequenza in modo elettrostatico utilizzando gli stessi elettrodi presenti per la regolazione dell'errore di quadratura, e quindi presenta dimensioni e consumi ridotti.

La figura 13 illustra una porzione di un sistema elettronico 400 che incorpora il dispositivo elettronico 100 e può essere utilizzato in apparecchi come, ad esempio, un calcolatore palmare (personal digitai assistant, PDA), un calcolatore "laptop" o portatile, eventualmente con capacità "wireless", un telefono cellulare, un dispositivo di messaggistica, un lettore musicale digitale, una camera digitale o altri apparecchi atti a elaborare, immagazzinare, trasmettere o ricevere informazioni. Ad esempio, il dispositivo elettronico 100 può essere utilizzato in una camera digitale per rilevare movimenti ed effettuare una stabilizzazione di immagine. In una possibile forma di realizzazione, il dispositivo elettronico 100 è incluso in un'interfaccia utente attivata da movimento per calcolatori o console per videogiochi. In un'ulteriore forma di realizzazione, il dispositivo elettronico 100 è incorporato in un dispositivo di navigazione satellitare ed è utilizzato per il tracciamento temporaneo di posizione in caso di perdita del segnale di posizionamento satellitare.

Il sistema elettronico 400 di figura 13 comprende un'unità di controllo 410, un'unità di ingresso/uscita (I/O) 420 (ad esempio una tastiera o uno schermo), il dispositivo elettronico 100, un'interfaccia "wireless" 440 e una memoria 460, di tipo volatile o non volatile, accoppiati fra loro attraverso un bus 150. In alternativa, la memoria 460 può essere interna all'unità di controllo 410 oppure può sostituire la memoria 91 interna all'elemento di controllo 90 di figura 11 e memorizzare i parametri e le grandezze previste per il funzionamento del dispositivo elettronico 100, come le tensioni di compensazione Vi, V2. In una forma di realizzazione, una batteria 480 può essere utilizzata per alimentare il sistema 400. Il sistema elettronico 400 può comprendere tuttavia anche solo alcune delle unità mostrate in figura 13.

L'unità di controllo 410 può comprendere, ad esempio, uno o più microprocessori, microcontrollori e simili. In una diversa forma di realizzazione, esso può inglobare le funzioni dell'elemento di controllo 90 di figura 11 e il dispositivo elettronico 100 di figura 13 essere costituito dal giroscopio 60.

L'unità di I/O 420 può essere utilizzata per generare un messaggio. Il sistema elettronico 400 può utilizzare l'interfaccia wireless 440 per trasmettere e ricevere messaggi a e da una rete di comunicazione wireless (non mostrata) con un segnale a radiofrequenza (RF). Esempi di interfaccia wireless possono comprendere un'antenna, un ricetrasmettitore wireless come un'antenna a dipolo benché l'ambito della presente invenzione non sia limitato sotto questo aspetto. Inoltre, l'unità I/O 420 può fornire una tensione rappresentativa di ciò che è memorizzato sia in forma di uscita digitale (se sono state immagazzinate informazioni digitali) , sia in forma di informazione analogica (se sono state immagazzinate informazioni analogiche).

Risulta infine chiaro che al giroscopio, al metodo di controllo e al metodo di regolazione qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Giroscopio MEMS (60, 100), comprendente: una struttura di supporto (125, 127); una massa mobile (111-114) rispetto alla struttura di supporto in una direzione di attuazione (DI) e in una direzione di rilevamento (D3), fra loro perpendicolari, la massa mobile essendo affetta da un errore di quadratura causato da una coppia di quadratura; una struttura di attuazione (77), accoppiata alla massa mobile per comandare il movimento della massa mobile nella direzione di attuazione ad una frequenza di attuazione; elettrodi di rilevamento movimento (130), accoppiati alla massa mobile, per rilevare il movimento della massa mobile nella direzione di rilevamento; elettrodi di compensazione quadratura (121-124), accoppiati alla massa mobile per generare un momento di compensazione opposto almomento di quadratura; la massa mobile avendo una frequenza di risonanza variabile, la differenza fra la frequenza di risonanza e la frequenza di attuazione costituendo una variazione di frequenza (frequency mismatch); il giroscopio essendo configurato in modo da polarizzare gli elettrodi di compensazione quadratura con una tensione di compensazione tale da attuare la massa mobile con una variazione di frequenza prefissata.
2. Giroscopio secondo la rivendicazione 1, in cui la tensione di compensazione è variabile in modo quadratico con l'errore di quadratura.
3. Giroscopio secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui gli elettrodi di compensazione quadratura (121-124) comprendono un primo ed un secondo elettrodo di compensazione di quadratura configurati in modo da essere polarizzati ad una prima tensione di compensazione Vi e ad una seconda tensione di compensazione V2, rispettivamente, in cui Vi e V2sono scelti in modo da soddisfare 1'equazione: in cui Afo è la variazione di frequenza prefissata; VRè una tensione di polarizzazione della massa mobile (111-114); (Oso è una frequenza di risonanza della massa mobile; ks/J è un parametro correlato a costanti meccaniche della massa mobile; e fdè la frequenza di attuazione.
4. Giroscopio secondo la rivendicazione 3, in cui la prima tensione di compensazione Vi e la seconda tensione di compensazione V2soddisfano l'equazione: m cui Qei è una quadratura di compensazione data da: Qjè l'errore di quadratura, kqè una costante di proporzionalità che lega la quadratura di compensazione Qei al momento di compensazione Mei.
5. Giroscopio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, comprendente un elemento di memoria (91) configurata per memorizzare valori della tensione di compensazione.
6. Metodo di controllo di un giroscopio MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, comprendente: attuare una massa mobile in una direzione di attuazione e ad una frequenza di attuazione; rilevare un movimento della massa mobile in una direzione di rilevamento, perpendicolare alla direzione di attuazione, in cui la massa mobile è affetta da errore di quadratura causato da una coppia di quadratura nella direzione di rilevamento ed avendo una frequenza di risonanza variabile, la differenza fra la frequenza di risonanza e la frequenza di attuazione costituendo una variazione di frequenza (frequency mismatch); generare una coppia di compensazione opposta ad alla coppia di quadratura tramite elettrodi di compensazione quadratura accoppiati alla massa mobile; e polarizzare gli elettrodi di compensazione quadratura ad una tensione di compensazione tale da attuare la massa mobile con una variazione di frequenza prefissata.
7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui la tensione di compensazione è variabile in modo quadratico con l'errore di quadratura.
8. Metodo secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui polarizzare gli elettrodi di compensazione quadratura comprende applicare prima tensione di compensazione Vi ad un primo elettrodo di compensazione quadratura ed applicare una seconda tensione di compensazione V2ad un secondo elettrodo di compensazione quadratura e Vi e V2soddisfano l'equazione: in cui Afo è la variazione di frequenza prefissata, VRè una tensione di polarizzazione della massa mobile; (Oso è una frequenza di risonanza della massa mobile; ks/J è un parametro correlato ad una costante elastica della massa mobile; e fdè la frequenza di attuazione.
9. Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui la prima tensione di compensazione quadratura Vi e la seconda tensione di compensazione quadratura V2soddisfano 1 ' equazione : Qel QY- 0 in cui Qei è una quadratura di compensazione data da: Qei = kQ[(yR- v1)<2>- (vR- v2)<2>] Qjè l'errore di quadratura, kqè una costante di proporzionalità che lega la quadratura di compensazione Qei al momento di compensazione Mei.
10. Metodo di impostazione di parametri di compensazione in un giroscopio MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, comprendente: - acquisire un valore di variazione di frequenza desiderato Afod; attuare una massa mobile in una direzione di attuazione e ad una frequenza di attuazione; - applicare una pluralità di coppie di valori di tensioni di compensazione Vi, V2ad un primo ad un secondo elettrodo di compensazione di quadratura accoppiati alla massa mobile e rilevare una corrispondente pluralità di valori di variazione di frequenza (frequency mismatch) Afo fra la frequenza di attuazione ed una frequenza di risonanza della massa mobile; - rilevare, fra la pluralità di valori di variazione di frequenza, coppie di valori di tensione di compensazione Vi V2associate al valore di variazione di frequenza desiderato Af0d; rilevare, fra le coppie di valori di tensione di compensazione, una coppia di valori che annulla Qei Qy= 0 in cui Qei è una quadratura di compensazione data da: <2.1= M(l"« - l</>,)<2>- (l</>« - l</>2)<2>], Qy è l'errore di quadratura kqè una costante di proporzionalità che lega la quadratura di compensazione Qei al momento di compensazione Mei; e - memorizzare la coppia di valori delle tensioni di compensazione Vi, V2.
11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui rilevare una corrispondente pluralità di valori di variazione di frequenza Af0comprende risolvere 1'equazione: <'ι)<2>+ 0'»- V2f]-fd in cui Af0è la variazione di frequenza prefissato, VRè una tensione di polarizzazione della massa mobile; (Oso è una frequenza di risonanza della massa mobile; ks/J è un parametro correlato ad una costante elastica della massa mobile; e fdè la frequenza di attuazione.
12. Metodo secondo la rivendicazione 10 o il, comprendente inoltre: - misurare 200 una frequenza di attuazione fddella massa mobile in una direzione di attuazione tramite una struttura di misura di attuazione accoppiata alla massa mobile; e - misurare 202 la frequenza di risonanza di rilevamento (Dso e misurare il parametro ks/J tramite applicazione di opportuni valori delle tensioni di compensazione Vi, V2.
13. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10-12, in cui applicare una pluralità di coppie di valori di tensioni di compensazione Vi, V2 e rilevare una corrispondente pluralità di valori di variazione di frequenza AfO comprende: - generare 206 una tabella di valori della variazione di frequenza Afo.
14. Sistema elettronico comprendente un'unità di controllo (410) e un giroscopio MEMS (60) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5 accoppiato all'unità di controllo (410).