TWI632345B - 振動的微機電陀螺儀之驅動振輻的持續性監控與相關方法 - Google Patents

振動的微機電陀螺儀之驅動振輻的持續性監控與相關方法 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種微機電陀螺儀，其包含至少一個質量塊元件、一驅動致動器及感測電極。該至少一個質量塊元件經建構以由該驅動致動器驅動至具有一驅動振盪頻率ωD之振盪運動，且該等感測電極經建構以自該至少一個質量塊元件之該振盪運動產生一感測信號。該陀螺儀控制電路包含在頻率2ωD下偵測一感測信號振幅之一振幅偵測單元。此振幅產生驅動振盪振幅之一量度。在該頻率ωD下的振幅偵測產生角旋轉速率之一量度。

Description

振動的微機電陀螺儀之驅動振輻的持續性監控與相關方法
本發明係關於振動的微機電(microelectromechanical；MEMS)陀螺儀且係關於其操作之持續性監控。
MEMS陀螺儀使用科氏效應(Coriolis Effect)量測角速度。在振動的MEMS陀螺儀中，藉由致動驅動力將質量塊元件驅動至振盪運動。在本發明中，此振盪將被稱作「驅動振盪(drive oscillation)」，且其可為線性的或旋轉的。圖1經驅動處於沿其主軸線a1之線性振盪中的質量塊，而圖2示出經驅動處於繞其主軸線a2之旋轉振盪中的質量塊。兩個圖式中使用實心黑色箭頭指示驅動振盪。可(例如)使用靜電、磁性或壓電致動器產生致動驅動力。
微機電陀螺儀可包含參考框架，該參考框架使用允許質量塊元件以至少兩個自由度移動的彈簧結構連接至一或多個質量塊元件。參考框架典型地包圍質量塊元件。參考框架及質量塊元件典型地經建構用以相對於彼此進行電量測。質量塊元件可在由參考框架限定之平面內或在由參考框架限定之平面外振盪。
當包含驅動振盪中之質量塊元件的陀螺儀繞不平行於主軸線的副軸線經歷角旋轉速率Ω時，質量塊元件受科氏力影響。科氏力係由角旋轉速率向量與質量塊元件速度向量之量值及方向判定。驅動振盪中之質量塊元件將經歷振盪科氏力。此力使質量塊元件沿垂直於主軸線之副軸線或繞該軸線振盪。在本發明中，沿副軸線或繞副軸線之振盪將被稱作「感測振盪(sense oscillation)」。
在圖1及圖2中，使用白色箭頭指示角旋轉速率Ω且使用灰色箭頭指示感測振盪。感測振盪沿圖1中之軸線a3為線性振盪，且繞圖2中之軸線a3為旋轉振盪。換言之，在圖1及圖2兩者中，副軸線為a3。可經由關於固定參考框架之電容、壓電或壓阻感測來偵測感測振盪。在本發明中，由此偵測產生之電信號將被稱作「感測信號(sense signal)」。
在本發明中，術語「感測振盪振幅(sense oscillation amplitude)」意謂陀螺儀中之質量塊元件在其經歷感測振盪時自其停置位置位移的最大程度。術語「驅動振盪振幅(drive oscillation amplitude)」意謂陀螺儀中之質量塊元件在其經歷驅動振盪時自其停置位置位移的最大程度。感測振盪振幅及驅動振盪振幅兩者可為線性距離或線性角，如圖1及圖2中顯而易見。
相對應地，在本發明中，術語「感測振盪頻率(sense oscillation frequency)」及「驅動振盪頻率(drive oscillation frequency)」分別意謂質量塊元件在感測振盪及驅動振盪中振盪之頻率。在本發明中，符號ωD代表驅動振盪頻率。框架、質量塊元件及彈簧可經設計以使得感測振盪頻率採用與驅動振盪頻率相等或非常接近的值。
可使用一個驅動致動器來驅動若干質量塊元件。將驅動運動同步傳輸至所有質量塊元件。若干質量塊元件之同步電容監控有助於各種差分電容之量測。差分電容量測比單面量測更少雜訊，此係因為其允許感測振盪(其自角速率產生)愈明顯地與額外電容信號(其可自其他振動或加速度產生)分離。達成清晰分離的一種方法為在相反相位中驅動質量塊元件(藉由(例如)沿a1軸線在正方向上驅動一個質量塊，同時在負方向上移動另一質量塊，且反之亦然)。此等質量塊元件之感測振盪隨後亦將為反相的(一個質量塊將沿a3軸線在正方向上移動，同時另一質量塊在負方向上移動，且反之亦然)。此差分模式感測振盪(自角速率產生)可明顯地區別於兩個質量塊沿a3軸線在相同方向上移動的共同模式運動(自其他振動或加速度產生)。
若干質量塊元件之額外益處在於當若干質量塊元件繞中心對稱地定位且設定成在合適的相位中振盪時，避免繞陀螺儀之中心之振盪內部角動量(自驅動運動產生)。
圖3示出MEMS陀螺儀，其中中心定位之驅動致動器33致動兩個相鄰質量塊元件31及32中之線性驅動振盪。圖4示出MEMS陀螺儀，其中中心定位之驅動致動器43致動兩個相鄰質量塊元件41及42中之旋轉驅動振盪。在兩種陀螺儀中，典型地驅動兩個質量塊元件以反相振盪，以使得當31向左移動時，32向右移動，且當41順時針旋轉時，42逆時針旋轉。
驅動致動器可為(例如)電容梳狀驅動，其中藉由將梳狀電極連接至振盪驅動電壓而在相鄰梳狀電極之間產生振盪靜電力。在本發明 中，此振盪電壓將被稱作驅動信號。驅動信號具有驅動信號振幅及驅動信號頻率。驅動振盪頻率ωD跟隨驅動信號頻率，此係因為由致動器將驅動信號頻率直接傳輸至質量塊元件。相對應地，驅動信號振幅判定驅動振盪振幅。換言之，驅動振盪頻率的值可藉由調整驅動信號頻率來改變，且驅動振盪振幅的值可藉由調整驅動信號振幅來改變。驅動信號頻率通常經設定成與在驅動運動中之質量塊元件之共振頻率相等或非常接近的值以藉由共振增益最大化振盪振幅。
當藉由驅動信號以上文所述之方式設定驅動振盪時，感測振盪為更複雜的運動。振盪之一個分量係藉由驅動振盪振幅及藉由科氏力之強度判定。感測振盪亦可具有其他分量，如本發明之實施方式中將描述。陀螺儀設計中之一個目的可為使驅動振盪振幅儘可能保持恆定。驅動振盪振幅中非預期及未偵測之變化將改變陀螺儀之靈敏度且產生錯誤量測結果。
存在諸多驅動振盪振幅不可長時間段準確保持恆定的原因。溫度為一個至關重要的因素，此係因為熱膨脹可更改驅動振盪之力學。溫度改變亦影響由在移動質量塊元件上之周圍氣體施加的動壓力。因此可能必須隨溫度變化而增大或減小驅動信號電壓以維持同一驅動振盪振幅。
亦可基於溫度輸入有意地改變驅動振盪振幅，以在溫度變化時使陀螺儀之靈敏度保持恆定。必須在溫度校正程序中預先判定此溫度校正之程度。可將此驅動振盪振幅調整用作數值溫度校正之補充或替代，其中量測結果用溫度校正因數按比例調整。
驅動振盪機制亦可由於操作期間之各種非預期錯誤而改 變。陀螺儀之主動部分中之生產缺陷或機械磨損或該等主動部分之間的接合可逐漸及驟然影響其操作。因此，振動的微機電陀螺儀通常裝備有用以監控驅動振盪振幅的量測配置。上文提及之溫度校正程序亦需要此配置。
藉由持續量測其自身驅動振盪振幅及頻率，振動的微機電陀螺儀可經程式化以自動調整驅動信號，從而補償非預期振幅變化或執行溫度校正。陀螺儀亦可將其自身故障報告至外部電路以防驅動振盪振幅中之干擾過於嚴重而無法補償。
文獻US8820136 B2揭示具有自測試能力之微機電陀螺儀。質量塊元件經驅動處於沿驅動軸線X之線性振盪中。質量塊元件亦可沿正交感測軸線Y之方向移動。在質量塊元件及固定框架上使用專用自測試電極實施自測試功能性。使用低於驅動振盪的自測試頻率將振盪驅動信號轉換為振盪自測試信號。此自測試信號產生在Y方向上作用於質量塊元件的振盪力。隨後在驅動振盪頻率下持續解調自在Y方向上之質量塊元件之運動量測的信號以量測科氏效應之影響。該信號亦在自測試頻率下經解調來監控陀螺儀是否仍正常工作。此先前技術解決方案的問題在於其需要單獨的自測試激勵電子器件及單獨的自測試激勵致動器。與不具有自測試功能性之陀螺儀相比，具有此自測試功能性之陀螺儀因此需要更大晶片面積且消耗更多電流。額外激勵電子器件及致動器亦引入額外複雜度及量測錯誤之潛在來源。
文獻US20150211853 A1亦揭示具有自測試能力之微機電陀螺儀。在此文獻中，線性驅動致動器在感測質量塊中產生旋轉振盪。藉由包括用於持續監控驅動振盪之單獨的感測電極來實施自測試功能性。此解 決方案之問題在於必須引入額外電極及電路用於監控驅動振盪。此外，存在驅動信號與驅動監控信號之間的串擾風險，這增加量測錯誤之風險。
本發明之目標在於提供一種微機電陀螺儀及一種克服或至少減輕先前技術中之上述問題的相關聯方法。本發明之目標藉由特徵在於獨立項中所陳述內容的配置及方法來達成。本發明之較佳實施方式揭示於附屬項中。本發明係基於利用用於角旋轉速率量測及用於驅動振盪振幅監控兩者的感測信號之想法。
31‧‧‧質量塊元件
32‧‧‧質量塊元件
33‧‧‧驅動致動器
41‧‧‧質量塊元件
42‧‧‧質量塊元件
43‧‧‧驅動致動器
501‧‧‧MEMS陀螺儀
502‧‧‧驅動致動器
503‧‧‧數位至類比轉換器
504‧‧‧感測器
505‧‧‧類比至數位轉換器
506‧‧‧補償電極
507‧‧‧數位至類比轉換器
508‧‧‧驅動信號產生器
509‧‧‧振幅控制單元
510‧‧‧低通濾波器
511‧‧‧解調器
512‧‧‧解調器
513‧‧‧解調器
514‧‧‧正交補償控制單元
515‧‧‧濾波器系統
516‧‧‧校正單元
517‧‧‧串行周邊介面
518‧‧‧迴路濾波器
519‧‧‧壓控振盪器
520‧‧‧分頻器
521‧‧‧自測試監控單元
522‧‧‧解調器
523‧‧‧振幅偵測單元
524‧‧‧振幅偵測單元
611‧‧‧質量塊元件
612‧‧‧質量塊元件
613‧‧‧驅動致動器
614‧‧‧感測指狀電極
622‧‧‧槓桿
623‧‧‧槓桿
624‧‧‧感測指狀電極
641‧‧‧固定中心電極
644‧‧‧固定指狀電極
651‧‧‧框架
711‧‧‧質量塊元件
741‧‧‧板狀感測電極
742‧‧‧板狀感測電極
在下文中，將借助於參考附圖之較佳實施方式更詳細地描述本發明，其中圖1示出質量塊經致動處於線性振盪中的MEMS陀螺儀之一般操作原理。
圖2示出質量塊經致動處於旋轉振盪中的MEMS陀螺儀之一般操作原理。
圖3示出兩個質量塊元件經致動處於線性振盪中的MEMS陀螺儀。
圖4示出兩個質量塊元件經致動處於旋轉振盪中的MEMS陀螺儀。
圖5示出用於執行量測及監控本發明中所描述的功能的陀螺儀控制電路。
圖6a至圖6e示出第一例示性陀螺儀。
圖7a至圖7c示出第二例示性陀螺儀。
如自先前技術所知，可藉由在驅動振盪頻率ωD下解調感測信號在振動陀螺儀中偵測角旋轉速率。本發明中所提出之想法為可藉由在雙倍的驅動振盪頻率下(換言之，2ωD)解調同一感測信號來監控驅動振盪振幅。如先前所提及，驅動振盪頻率ωD為共振頻率，因此雙倍頻率在本發明中將經標記為第二諧波頻率。
使用以下提出之例示性陀螺儀結構產生在第二諧波頻率下具有週期性的感測信號分量。大體想法為以使得所感測之電量在每一驅動振盪週期中展現兩個純粹驅動相依最大值之方式來構建陀螺儀。換言之，陀螺儀經建構以持續產生完全獨立於科氏效應且可易於區別於科氏誘發(Coriolis-induced)感測信號分量的感測信號分量，此係因為該陀螺儀在第二諧波頻率下振盪。如上文所提及，由科氏效應誘發之感測信號分量一般在驅動振盪(共振)頻率ωD下振盪。
在所揭示之裝置中，感測信號因此具有至少兩個分量。第一分量係由科氏效應引起且其頻率為共振頻率ωD。由驅動振盪運動誘發的第二分量係由依據以下例示性陀螺儀所描述之結構特性所引起。其頻率為第二諧波頻率2ωD。第一分量之振幅將經標記為科氏振幅，且第二分量之振幅將經標記為第二諧波振幅。術語「感測信號振幅(sense signal amplitude)」將用以指代自感測信號判定之任何振幅，包括科氏振幅及第二諧波振幅兩者。
本發明描述一種用於操作微機電陀螺儀的方法，該微機電陀螺儀包含至少一個質量塊元件、陀螺儀控制電路及由包含驅動信號振幅及驅動信號頻率之驅動信號控制的驅動致動器。在該方法中，至少一個質量 塊元件由驅動致動器驅動至具有驅動振盪頻率ωD之振盪運動。自至少一個質量塊元件之振盪運動產生感測信號，且在陀螺儀控制電路中在頻率2ωD下偵測感測信號振幅。
本發明之配置及方法的優勢在於可僅使用已就位用於感測科氏力之影響的感測設備(感測電極及感測電路)來監控及調整驅動振盪振幅。不需要專門用於驅動振盪監控之額外量測電極及用於讀取此等驅動振盪量測之電路。亦不需要用於誘發自測試感測振盪之單獨的驅動致動器。
可由此在相較於自先前技術已知之對應解決方案具有較低電流消耗、較小面積及較簡單電路的MEMS陀螺儀中執行持續性驅動振盪振幅調整及自測試。減少量測錯誤之潛在來源的數目。此外，採用單獨的驅動振盪量測電路之先前技術解決方案時常展現驅動信號與驅動振盪量測信號之間的串擾。在本發明之配置及方法中，因為在不同於驅動信號頻率之頻率下監控驅動振盪，故消除了此串擾。
圖5示出根據本發明之陀螺儀控制電路之實例。陀螺儀控制電路持續監控驅動振盪振幅且在必要時調整此振幅。可使用感測器504量測MEMS陀螺儀501之感測振盪。此等感測器可為電容的或壓電的。感測器信號可在類比至數位轉換器505中經放大及轉換為數位信號。接著，可藉由兩個解調器512、513在驅動振盪頻率ωD下及藉由兩個解調器511、522在第二諧波頻率2ωD下解調此經放大信號。在一些實施方式中，可僅用在該頻率下操作之一個解調器替換每一解調器對512+513及511+522。若陀螺儀501不需要正交補償，則可不包括解調器513。
解調器511、迴路濾波器518及壓控振盪器(voltage-controlled oscillator；VCO)519形成鎖相迴路。VCO 519可自時脈產生器接收初始時脈信號(initial clock signal；ICLK)且產生饋送至解調器511之第一週期性時脈信號(first periodic clock signal；CLK_2F)。解調器511包含將CLK_2F之相位與傳入感測信號之相位進行比較的相位偵測器。接著，可經由迴路濾波器518調整第一時脈信號CLK_2F直至其相位匹配感測信號之相位為止。接著，第一時脈信號CLK_2F可自VCO饋送至分頻器520，該分頻器520在CLK_2F之頻率的一半下產生第二時脈信號CLK_F。
兩個時脈信號CLK_F經饋送至解調器512及513。解調器512在由CLK_F判定之頻率下解調感測信號且將感測信號饋送至濾波器系統515及校正單元516(其中可應用速率偏移及溫度相依的靈敏度校正)及至串行周邊介面(serial peripheral interface；SPI)517。解調器512及濾波器系統515一起構成振幅偵測單元524。此偵測單元偵測科氏振幅。之所以解調器512在解調器511之頻率之一半下操作係因為第一時脈信號CLK_2F在分頻器520中減半。替代地，振幅偵測單元524可包含在頻率CLK_F下操作之帶通濾波器及用於偵測對應感測信號振幅之峰值偵測器，或用於自感測信號提取科氏振幅的其他構件。
陀螺儀控制電路可執行正交補償。在此情況下，饋送至解調器513之時脈信號CLK_F相對於饋送至解調器512之時脈信號相移90°，此係因為正交信號與由科氏力誘發之信號正交。解調器513在由CLK_F判定之頻率下解調感測信號且將量測信號饋送至發送信號至補償電極506之正交補償控制單元514。若陀螺儀501不需要正交補償，則可省略此正交控制路徑。
在振幅偵測單元523中偵測第二諧波振幅。在圖5中所示之實施方式中，振幅偵測單元523包含以在鎖相迴路511-518-519中設定之頻率CLK_2F解調感測信號的解調器522。在圖5中，振幅偵測單元523亦包含用於移除來自較高階諧波之紋波的低通濾波器510。替代地，振幅偵測單元523可包含在頻率CLK_2F下操作之帶通濾波器及用於偵測對應感測信號振幅之峰值偵測器，或用於自感測信號提取第二諧波振幅的其他構件。
經偵測第二諧波振幅可經饋送至振幅控制單元509，該振幅控制單元509包含將經量測第二諧波振幅與參考值進行比較的振幅比較電路。兩者之間的差經饋送至典型地藉由比例積分方案(PI控制器)實施之控制器電路，經調整之驅動信號振幅在該比例積分方案中經計算。
參考值可為在將器件置於操作中之前選擇的值、在將器件置於操作中之後得到的較早量測結果或初始固定值與較早量測結果之組合。其典型地在產生過程中之校正程序中經選擇且儲存於非揮發性記憶體中。
基於振幅比較，振幅控制單元509指示驅動信號產生器508將驅動信號振幅設定成其經調整值。振幅控制單元509可控制正弦激勵之振幅(在CLK_F下運行)或較佳地控制驅動電壓之平均(DC)值。接著，可經由數位至類比轉換器(digital-to-analog converter；DAC)503將驅動信號饋送至驅動致動器502，且驅動振盪振幅由此採用新的經調整值。驅動振盪振幅之值可維持在預定區間內，以使得僅在經量測驅動振盪振幅處於此區間之外時執行調整。
經偵測之第二諧波振幅及經調整之驅動信號振幅兩者可經饋送至包含數位容限檢測電路之自測試監控單元521。來自迴路濾波器518 之頻率LOOPF亦可經饋送至自測試監控單元521。自測試監控單元持續讀取第二諧波振幅、經調整之驅動信號振幅及驅動振盪頻率。若此等值中之任一者降低至超出其預設的自測試容差界限，則監控單元將失敗之自測試報告至外部電路，以使得可中止使用此特定陀螺儀組件。
參考圖5，可更詳細地闡釋本發明之裝置及方法之優勢。首先，不需要僅僅專用於自測試目的之額外激勵電路或激勵致動器。陀螺儀可僅使用已具備之用於致動其普通驅動振盪之驅動單元及僅使用已具備之用於測量感測振盪之感測器來執行其持續性自測試功能。
本發明之裝置及方法因此在使用較小器件面積及較簡單電路之同時達成與具有用於偵測驅動振盪振幅之單獨的測量電極之自測試配置相同之目標。用於偵測驅動振盪振幅之單獨的感測器將需要用於此信號之額外前置放大器及額外AD轉換器。本發明之裝置及方法替代地擷取關於來自一個感測信號的感測振盪振幅及驅動振盪振幅兩者之資訊。經由解調在驅動共振頻率ωD下擷取感測振盪振幅，同時在第二諧波頻率2ωD下擷取驅動振盪振幅。在不同頻率下振盪之此等兩個重疊感測信號分量可容易地且可靠地區別於彼此。
本發明之裝置及方法亦可用於偵測其他故障，諸如放大器增益之變化或完全切斷感測信號之一個部分的失敗之線接合。此等潛在過程缺陷中之兩者可減小經偵測之感測信號幅度。
例示性陀螺儀
可藉由諸多MEMS陀螺儀結構實施本發明之裝置及方法。在以下兩個實例中，將詳細描述具有以線性方式振盪之質量塊元件之第一 陀螺儀結構及具有以旋轉方式振盪之質量塊元件之第二陀螺儀結構。此等實例之目的在於闡釋在第二諧波頻率下振盪的感測信號分量之來源。此等例示性陀螺儀利用電容偵測，但在一些實施方式中亦可利用壓電偵測。
在每一實例中，微機電陀螺儀包含至少一個質量塊元件、驅動致動器、感測電極及陀螺儀控制電路。驅動致動器經建構以由包含驅動信號振幅及驅動信號頻率之驅動信號控制。至少一個質量塊元件經建構以由驅動致動器驅動至具有驅動振盪頻率ωD之振盪運動。感測電極經建構以自至少一個質量塊元件之振盪運動產生感測信號，且陀螺儀控制電路包含在頻率2ωD下偵測感測信號振幅之振幅偵測單元。
實例1
圖6a至圖6e示出第一例示性陀螺儀結構之工作原理。該陀螺儀屬於圖3中所示之類型，其中兩個質量塊元件經驅動處於線性振盪中。在此類陀螺儀中，驅動振盪頻率ωD可(例如)為8kHz。則第二諧波頻率將為16kHz。
當此陀螺儀經歷角旋轉時，科氏力致動垂直於驅動振盪之線性平移，如圖1所示。圖1所示之軸線亦指示於圖6a至圖6e中。
圖6a示出具有感測指狀電極614之質量塊元件611，該等感測指狀電極614圍繞具有固定指狀電極644之固定中心電極641。在本發明中，術語「感測電極(sense electrode)」涵蓋感測指狀電極及固定指狀電極兩者。質量塊元件611懸掛於附接至框架(未示出)之彈簧(未示出)上。固定中心電極641及固定指狀電極644經固定至框架。質量塊元件611可相對於框架沿a1軸線及a3軸線兩者之方向移動。陀螺儀控制電路量測所有固 定指狀電極644與所有感測指狀電極614之間的差分電容。使用多個指狀電極以改良量測準確度。
驅動振盪沿a1軸線之方向來回移動質量塊元件611。此線性平移對經量測差分電容不具有影響，此係因為當質量塊元件611向左移動時，雖然在固定中心左側之感測指狀電極614與固定指狀電極644之間的面積重疊減少，但是在右側之對應重疊增加剛好相同的量。沿a1軸線之驅動振盪對所感測電容之淨效應因此為零。科氏力誘發在驅動振盪頻率下沿a3軸線之週期性振盪。此產生差分電容可量測變化。
圖6b示出可如何實施本發明之裝置及方法之實例。陀螺儀包含由中心驅動致動器613沿a1軸線驅動至線性振盪之兩個質量塊元件611及612。驅動致動器613經附接至框架且驅動運動為以電容方式致動的。致動驅動運動之指狀電極由在驅動致動器613每一側上之一個指形件示意性地指示。為了清楚起見，已省略質量塊元件611及612上之感測指狀電極。
兩個質量塊元件611及612使用兩個槓桿622及623在驅動致動器613之左側及右側彼此實體地耦接。如先前已提及，驅動致動器613反相致動兩個質量塊元件611及612，以使得當612向右移動時611向左移動，且反之亦然。為了清楚起見，圖6b中已大大地放大側向運動之範圍。
圖6c示出槓桿622及623在具有兩個質量塊元件611、612及驅動致動器613之陀螺儀中之實際位置。如圖6c中所見，槓桿622及623在陀螺儀兩側上平行於框架651延伸且附接至質量塊元件611之頂部邊角及質量塊元件612之底部邊角。槓桿622及623可不為全部剛性的。其可滿足除在感測信號中產生第二諧波分量以外的額外目的。當質量塊元件611及 612彼此耦接時，其沿a3軸線之共同模式共振頻率變得大於差分模式共振頻率。這使得更易於自其他電容信號分離感測振盪，如在本申請案之先前技術部分中所闡釋。在此情況下，槓桿622及623必須足夠撓性以使得611及612以相反方向移動之差分模式不被抑制。可在先前技術文獻WO2012120190中發現槓桿622及623之其他功能的其他細節。
槓桿622及623足夠剛性以經由圖6b中所示之工作原理來實施本發明之裝置及方法。此圖示出驅動振盪循環中之順序I-II-III。完整振盪週期對應於循環II-I-II-III-II。當在位置I中向左驅動第一質量塊元件611且向右驅動第二質量塊元件612時，槓桿622及623向左傾斜角α。隨後槓桿622及623在位置III中以向右傾斜相同傾斜角α。
因此，若質量塊元件611與612之間的距離在位置II中為d，則其之間的距離在位置I及III中為d‧cos α。換言之，槓桿622及623在位置I及III中沿a3軸線之方向將兩個質量塊元件彼此稍微拉近。歸因於此拉動動作，質量塊元件上之每一點在驅動振盪週期II-I-II-III-II中沿微曲線移動，如在圖6b之底部所示。除其主要線性振盪(亦即，沿a1軸線之普通驅動振盪)之外，兩個質量塊元件611及612亦將因此展現沿a3軸線之輔助線性振盪。此輔助線性振盪具有較小振幅，此係因為角α雖然小，但振幅足以產生可測量感測信號分量。
顯然，質量塊元件611及612之輔助線性振盪在一個完整驅動振盪週期中展現兩個距離最大值及兩個距離最小值係因為該等質量塊元件兩次通過中心位置II。因此，當驅動振盪頻率為ωD時，輔助線性振盪將獲得第二諧波頻率2ωD。使用本發明之裝置及方法，由輔助線性振盪產生 的感測信號因此可易於與由科氏效應產生之信號分離。
圖6d更詳細地示出此例示性陀螺儀結構之幾何結構。此圖示出固定中心電極641之一部分及中心電極641每一側上之一個固定指狀電極644。為保持清晰，質量塊元件611及612僅由兩對感測指狀電極614及624表示，且僅示出一對固定指狀電極644。
槓桿622及623將質量塊元件611連接至質量塊元件612，如圖6b中所示。質量塊元件在圖6d中處於中心位置II中，其中槓桿622及623垂直於感測指狀電極614及624。每一槓桿之長度為L，且指狀電極614與644之間的距離在此位置為d0，如圖中所示。感測指狀電極614在a1軸線上相對於固定指狀電極644之初始位置由虛線P指示。
圖6e示出當槓桿歸因於質量塊元件之驅動運動而向右傾斜角α時在位置III中的同一陀螺儀幾何結構。圖6e中所示之所有組件對應於圖6d中所示之所有組件，但為了清楚起見已省略元件符號。在位置III中，感測指狀電極614在a1軸線上相對於固定指狀電極644之位置由虛線P'指示。可看出，兩個感測指狀電極614已向右移動距離h，同時相對感測指狀電極624已向左移動相同距離h。之所以距離h可解釋為驅動振盪振幅，係因為在位置III中質量塊元件611已移動至其最右末端且質量塊元件612已移動至其最左末端。
由於上文所闡釋的原因，在沿a1軸線移動距離h之同時，感測指狀電極614及624已沿a3軸線移動進一步遠離其各別固定指狀電極644。記住，當相同移位出現在兩側時，直接由圖6d及圖6e之幾何結構得出 及
使ΔC指代當質量塊元件自位置II(圖6d中所示)移動至位置III(圖6e中所示)時，一對固定指狀電極644與一對感測指狀電極614之間的電容改變之量。ΔC可寫成h之函數： 其中C0為在位置II中之電容，C1為在位置III中之電容，ε為電容率，且A為感測指狀電極與固定指狀電極之間的重疊面積。該面積在驅動振盪運動中保持恆定，如上文所闡釋。
移位h極小。函數ΔC(h)可因此藉由泰勒級數大約估算為h=0，其得到結果ΔC(h)~h 2 (4)。
對於每一指狀電極對而言，計算係相同的。自質量塊元件量測之電容感測信號將因此展現其振幅與驅動振盪振幅h之平方成比例之週期性分量。此振幅為第二諧波振幅。比例係數之確切值將取決於指狀電極對的數目及其尺寸，同時取決於距離L及d0。其可由熟習此項技術者判定。
值得注意的是，感測信號之第二諧波振幅可用於持續監控驅動振盪振幅h。此外，第二諧波振幅為驅動振盪振幅之變化的極敏感指示符，此係因為其值與驅動振盪振幅之平方成比例。
一旦第二諧波振幅經判定，則可計算對應(經量測)驅動振盪振幅。若驅動振盪振幅之參考值為href且在時間t量測之驅動振盪振幅為hmeas，則驅動信號振幅之經調整值SADJ(t)可(例如)使用以下熟知公式在PI控制器中計算：
其中Kp及Ki為非負係數。
調整值亦可以其他方式計算。調整可為條件性的，以使得除非經量測之第二諧波振幅(或對應驅動振盪振幅)處於約為其參考值之預定區間外，否則不進行調整。
實例2
圖7a至圖7b示出第二例示性陀螺儀結構之工作原理。該陀螺儀類型在圖4中經示出，其中兩個質量塊元件經驅動處於旋轉振盪中。當此陀螺儀經歷角旋轉時，科氏力致動基板平面外之旋轉，如先前所闡釋。
可經由利用質量塊元件711上方及下方之板狀感測電極741及742的差分電容量測來偵測此基板平面外之旋轉，如圖7a中所示。雖然電極及質量塊元件之表面面積在圖7a中經繪製為完全相等，但亦可使用小於或大於感測質量塊之面積的電極面積來實施本發明之裝置及方法。
當質量塊元件711處於驅動運動中時，其繞軸線a2來回旋轉。圖7b示出頂部感測電極741及質量塊元件711經投影至a1-a3平面上之位置。在圖7b中所示之時刻，質量塊元件已逆時針旋轉。為了說明之目的，已在該圖中大大地放大旋轉。頂部感測電極741及底部感測電極742保持固 定在其初始位置中。根據圖7b顯而易見的是，當質量塊元件已旋轉遠離其中心位置時，每一感測電極(741、742)與質量塊元件711之面積重疊變小。
每一感測電極741及742與質量塊元件711之間的電容與其面積重疊成正比。圖7b中之在頂部感測電極741下方可見的質量塊元件711之灰色區域並不影響電容。換言之，面積重疊隨著質量塊元件711繞a2軸線來回振盪而週期性地變化。
質量塊元件711在驅動振盪頻率ωD下振盪。然而，面積重疊振盪將獲得第二諧波頻率2ωD，此係因為重疊在驅動循環振盪之每一週期中展現兩個最小值及兩個最大值。圖7b中示出一個最小值，其中質量塊元件711已旋轉至其逆時針末端。當質量塊元件711已旋轉至其順時針末端(未示出)時將出現另一最小值。換言之，感測電極741及742將在每一週期中與質量塊元件711完全重疊兩次。即使當質量塊元件面積不恰好等於感測電極面積時，只要面積重疊存在某一變化即可易於產生相同的週期性效應。
歸因於科氏效應，所感測之電容理所當然亦藉由質量塊元件711繞a3軸線之週期性移位來判定。如前文，電容之此振盪變化展現驅動振盪頻率ωD。由科氏效應誘發之振盪及面積重疊振盪可易於在感測信號中區別，此係因為其展現不同頻率。
在此實例中，面積重疊振盪信號分量之振幅與驅動振盪之振幅成比例。此可如下示出。
感測電極741及質量塊元件711兩者之高度為2H且其寬度為2W，如圖7b中所限定。圖7c更詳細地示出圖7b之左上角之幾何結構。 使用字母A、B、C、D及E指示幾何結構中之重要的點。質量塊元件之旋轉角為θ，其可解釋為驅動振盪振幅，此係由於在圖7b中質量塊元件711已轉至其逆時針末端。
因為質量塊元件711之中心點E隨著其旋轉而保持固定，所以線AB形成具有長度為之兩條側邊及頂角θ的等腰三角形ABE之底邊。因此，線AB之長度LAB為
當將正弦定律應用於三角形ABC時，得出 其中LAC為自點A至點C的距離，且LBC為自B至C的距離。因為φ=90°-θ，所以得出sin(180°-φ)=cos θ。此外，δ=(180°-(90°+θ)-γ)=90°-θ-γ且因此sin δ=cos(θ+γ)。
因此，由(6)得出
因為E為感測質量塊之中心點，所以角β=tan-1(W/H)。可由點A周圍的角看出，β加上該等腰三角形之底角等於γ加直角。換言之，
實際上，角θ比角β小得多，此係因為驅動振盪幾乎不使質量塊元件711旋轉。為了充分近似，γβ及等式(5)、(7)及(8)接著可經組合為 其可寫成
圖7c中灰色三角形之面積可標記為AADC。其現在可寫成θ之函數：
因為角θ較小，所以函數AABC(θ)可繞點θ=0藉由泰勒級數估算。此得出比例關係式AABC(θ)~θ (12)。
相同的分析直接應用於圖7b中感測電極/質量塊元件結構之右下角。其亦適用於相同電極/質量塊元件結構之右上角及左下角，伴有一個修改：在此等兩個角中，角β採用的值tan-1(H/W)。
得出隨著質量塊元件711繞a2軸線以角θ轉至其逆時針末端，面積重疊之總變化與此角度成正比。因為經量測之電容與面積重疊成正比，所以得出ΔC(θ)~θ (13)。
自質量塊元件量測之電容感測信號將因此展現其振幅與驅動振盪振幅θ成比例之週期性分量。此振幅為第二諧波振幅。
比例係數之確切值將取決於尺寸W及H。此外，可藉由任何數目的替代幾何結構產生第二諧波信號分量。感測電極及質量塊元件面積不必相同或對稱。電極及質量塊元件不必具有相同中心點。在任何情況下，比例係數可由熟習此項技術者判定。
值得注意的是，感測信號之第二諧波振幅可用於持續監控驅 動振盪振幅θ。一旦第二諧波振幅經判定，則對應(經量測)驅動振盪振幅可經計算且驅動信號振幅可以上文的第一例示性陀螺儀中相同之方式調整。

Claims (12)

  1. 一種微機電陀螺儀，其包含至少一個質量塊元件(31、32、41、42)、一驅動致動器(33、43)、感測電極及一陀螺儀控制電路，其中該驅動致動器(33、43)經建構以由包含一驅動信號振幅及一驅動信號頻率之一驅動信號控制，該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)經建構以由該驅動致動器(33、43)驅動至具有一驅動振盪頻率ωD之振盪運動，且該等感測電極經建構以自該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)之該振盪運動產生一感測信號，其特徵在於該感測信號包含一第一分量與一第二分量，其中該第一分量係由科氏效應引起且其頻率為ωD，且該第二分量係由驅動振盪運動誘發且其頻率為2ωD；該陀螺儀控制電路包含一振幅偵測單元(524)與一振幅偵測單元(523)，其中該振幅偵測單元(524)係在頻率ωD下偵測一感測信號振幅，且該振幅偵測單元(523)係在頻率2ωD下偵測一感測信號振幅；且該陀螺儀控制電路亦包含基於在頻率2ωD下偵測之該感測信號振幅而調整該驅動信號振幅之一振幅控制單元(509)。
  2. 如申請專利範圍第1項之微機電陀螺儀，其中該微機電陀螺儀包含一自測試監控單元(521)，當在頻率2ωD下偵測之該感測信號振幅或經調整之該驅動信號振幅降低至超出一自測試容差界限時，該自測試監控單元(521)將輸出一信號以指示自測試故障。
  3. 如申請專利範圍第2項之微機電陀螺儀，其中該陀螺儀控制電路包含在頻率2ωD下解調該感測信號之一鎖相迴路(511-518-519)，來自該鎖相迴路(511-518-519)的頻率係饋送至該自測試監控單元(521)，且當來自該鎖相迴路(511-518-519)的該頻率降低至超出一自測試容差界限時，該自測試監控單元(521)將輸出一信號以指示自測試故障。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之微機電陀螺儀，其中該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)由一參考框架所包圍。
  5. 如申請專利範圍第4項之微機電陀螺儀，其中該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)在由該參考框架限定之平面內振盪。
  6. 如申請專利範圍第4項之微機電陀螺儀，其中該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)在由該參考框架限定之平面外振盪。
  7. 一種用於操作一微機電陀螺儀的方法，該微機電陀螺儀包含至少一個質量塊元件(31、32、41、42)、一陀螺儀控制電路及由包含一驅動信號振幅及一驅動信號頻率之一驅動信號所控制的一驅動致動器(33、43)，其中該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)由該驅動致動器(33、43)驅動至具有一驅動振盪頻率ωD之振盪運動，自該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)之該振盪運動產生一感測信號，其特徵在於該感測信號包含一第一分量與一第二分量，其中該第一分量係由科氏效應引起且其頻率為ωD，且該第二分量係由驅動振盪運動誘發且其頻率為2ωD；該陀螺儀控制電路中的一振幅偵測單元(524)在頻率ωD下偵測一感測信號振幅，且該陀螺儀控制電路中的一振幅偵測單元(523)在頻率2ωD下偵測一感測信號振幅；且該陀螺儀控制電路亦包含一振幅控制單元(509)，其係基於在頻率2ωD下偵測之該感測信號振幅而調整該驅動信號振幅。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中將在頻率2ωD下偵測之該感測信號振幅饋送至一自測試監控單元(521)；將經調整之該驅動信號振幅饋送至該自測試監控單元(521)；且當在頻率2ωD下偵測之該感測信號振幅或經調整之該驅動信號振幅降低至超出一自測試容差界限時，一信號將藉由該自測試監控單元(521)輸出以指示自測試故障。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中在一鎖相迴路(511-518-519)中在頻率2ωD下解調該感測信號，來自該鎖相迴路(511-518-519)的頻率係饋送至該自測試監控單元(521)，且當來自該鎖相迴路(511-518-519)的該頻率降低至超出一自測試容差界限時，該自測試監控單元(521)將輸出一信號以指示自測試故障。
  10. 如申請專利範圍第7項至第9項中任一項之方法，其中該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)由一參考框架所包圍。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)在由該參考框架限定之平面內振盪。
  12. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該至少一個質量塊元件(31、32、41、42)在由該參考框架限定之平面外振盪。
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