(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 206772316 U(45)授权公告日 2017.12.19
(21)申请号 201720318605.4(22)申请日 2017.03.29
(30)优先权数据
102016000079018 2016.07.27 IT(73)专利权人 意法半导体股份有限公司
地址 意大利阿格拉布里安扎(72)发明人 D·普拉蒂 C·瓦尔扎希纳
T·基亚里洛 P·佛朗哥 (74)专利代理机构 北京市金杜律师事务所
11256
代理人 王茂华 张昊(51)Int.Cl.
G01C 25/00(2006.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
权利要求书2页 说明书11页 附图11页
CN 206772316 U(54)实用新型名称
MEMS陀螺仪及其电子系统(57)摘要
本公开MEMS陀螺仪及其电子系统。具体为一种MEMS陀螺仪(60，100)，其中，悬挂质量块(111-114)相对于支撑结构(125，127)可移动。该可移动质量块受正交力矩引起的正交误差的影响；驱动结构(77)耦合至该悬挂质量块以便以驱动频率控制该可移动质量块在驱动方向上的移动。耦合至该可移动质量块的运动感测电极(130)检测该可移动质量块在感测方向上的移动，并且正交补偿电极(121-124)耦合至该可移动质量块以便生成与该正交力矩相反的补偿力矩。该陀螺仪被配置成用于使用补偿电压来对这些正交补偿电极进行偏置，从而使得该可移动质量块的谐振频率与该驱动频率之差具有预设频率失配值。
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权 利 要 求 书
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1.一种MEMS陀螺仪(60，100)，其特征在于，包括：支撑结构(125，127)；质量块(111-114)，所述质量块在彼此垂直的驱动方向(D1)和感测方向(D3)上相对于所述支撑结构可移动，所述可移动质量块受正交力矩引起的正交误差的影响；
驱动结构(77)，所述驱动结构耦合至所述可移动质量块以便以驱动频率控制所述可移动质量块在所述驱动方向上的移动；
运动感测电极(130)，所述运动感测电极耦合至所述可移动质量块，以便检测所述可移动质量块在所述感测方向上的移动；以及
正交补偿电极(121-124)，所述正交补偿电极耦合至所述可移动质量块，以便生成与所述正交力矩相反的补偿力矩；
所述可移动质量块具有可变谐振频率，所述谐振频率与所述驱动频率之差为频率失配；
所述陀螺仪被配置成用于使用补偿电压来对所述正交补偿电极进行偏置，从而以预设频率失配来驱动所述可移动质量块。
2.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述补偿电压可随着所述正交误差二次地变化。
3.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述正交补偿电极(121-124)包括第一正交补偿电极和第二正交补偿电极，所述第一正交补偿电极和所述第二正交补偿电极被配置成用于分别以第一补偿电压V1和第二补偿电压V2而被偏置，其中，V1和V2被选择成用于满足方程：
其中：
Δf0是所述预设频率失配；
VR是所述可移动质量块(111-114)的偏置电压；ωS0是所述可移动质量块的谐振频率；
ks/J是与所述可移动质量块的力学常数相关的参数；并且fd是所述驱动频率。
4.如权利要求3所述的陀螺仪，其特征在于，所述第一补偿电压V1和所述第二补偿电压V2满足方程：
Qel+Qγ＝0其中：
Qel是由以下方程给出的补偿正交：Qel＝kQ[(VR-V1)2-(VR-V2)2]，Qγ是所述正交误差，
kq是将所述补偿正交Qel与所述补偿力矩Mel联系起来的比例常数。5.如权利要求1至4中任一项所述的陀螺仪，其特征在于，包括存储器元件(91)，所述存
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储器元件被配置成用于存储所述补偿电压的值。
6.一种电子系统，其特征在于，包括控制单元(410)以及根据权利要求1至5中任一项所述的MEMS陀螺仪(60)，所述MEMS陀螺仪耦合至所述控制单元(410)。
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说 明 书MEMS陀螺仪及其电子系统
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技术领域
[0001]本实用新型涉及一种MEMS陀螺仪及其电子系统。
背景技术
[0002]如已知的，微机电系统(Microelectromechanical System，MEMS)凭借其小尺寸、与消费者应用兼容的成本和增加的可靠性而越来越多地用于各种应用。具体地，形成了如使用这种技术的微集成陀螺仪和机电振荡器等惯性传感器。[0003]这种类型的MEMS设备通常包括支撑体和通过弹簧或“弯曲部”而悬挂在支撑体之上并耦合至支撑体的至少一个可移动质量块。弹簧被配置用于使可移动质量块能够根据一个或多个自由度相对于支撑体振荡。可移动质量块电容地耦合至支撑体上的多个固定电极，从而形成具有可变电容的电容器。当MEMS设备作为传感器而进行操作时，可移动质量块相对于支撑体上的固定电极的移动由于作用于其上的力的作用而修改电容器的电容。这种变化允许检测可移动质量块相对于支撑体的位移，并且根据后者，可以检测已经引起位移的外力。相反，当MEMS设备作为致动器而进行操作时，例如通过单独的一组致动或驱动电极向可移动质量块施加适当的偏置电压，从而使得可移动质量块经受引起期望移动的静电力。
[0004]在MEMS传感器当中，具体地，陀螺仪具有复杂机电结构，该结构通常包括相对于支撑体可移动的至少两个质量块，该至少两个质量块彼此耦合以便具有多个自由度(这取决于系统的架构)。在大多数情况下，每个可移动质量块具有一个或最多两个自由度。可移动质量块通过固定感测电极和可移动感测电极以及通过致动电极或驱动电极而电容地耦合至支撑体。
[0005]在具有两个可移动质量块的实施方式中，第一可移动质量块专用于驱动并且以受控振荡振幅以谐振频率保持振荡。第二可移动质量块通过具有(平移或旋转)振荡运动的第一可移动质量块来驱动，并且当微结构绕陀螺仪的轴以一定角速度旋转时，该第二可移动质量块经受与角速度本身成比例的并且垂直于驱动方向的科里奥利力(Coriolis Force)。在实践中，第二(被驱动的)可移动质量块充当加速度计，该加速度计使得能够检测科里奥利力以及检测角速度。
[0006]在另一实施方式中，单个悬挂质量块耦合至支撑体以便相对于支撑体根据两个独立的自由度(即，驱动自由度和感测自由度)可移动。感测自由度可以使得能够沿可移动质量块的平面移动(平面内移动)或者垂直于该平面移动(平面外移动)。致动或驱动设备使悬挂质量块根据这两个自由度之一保持受控振荡。悬挂质量块响应于支撑体的旋转(由于科里奥利力)基于另一个自由度移动。[0007]然而，MEMS陀螺仪具有复杂结构，并且例如由于生产缺陷和工艺扩展而频繁出现悬挂质量块与支撑体之间的非理想机电相互作用。因此，有用信号分量与寄生分量混合，寄生分量对角速度的测量没有贡献并且是潜在的噪声源，这些噪声源的影响是不可预见的。[0008]例如，悬挂质量块与支撑本体之间的弹性连接的缺点可能引起悬挂质量块在并不
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与设计阶段中所期望的自由度完全一致的方向上的振荡。这种缺陷还可能引起具有沿角速度的检测自由度定向的分量的力的开始。这种力进而生成具有未知振幅的、频率与载波的频率相同的并且具有引起被称为“正交误差”的误差的90°相移的信号分量。
[0009]可以从分别表示理想陀螺仪1(图1A)的和经受正交误差的非理想陀螺仪1’(图1B)的移动的图1A和图1B的比较中理解这种影响，其中，仅关于下文中所讨论的零件而示意性地表示了陀螺仪1，1’。[0010]陀螺仪1和1’具有感测质量块5，该感测质量块在第一方向(驱动方向A，此处与笛卡尔参考系的轴X平行)上通过由固定电极7(与衬底刚性连接，未示出)和可移动电极8(与感测质量块5刚性连接)表示的驱动单元6驱动。由固定电极11(与衬底刚性连接，未示出)和由与感测质量块5刚性连接的可移动电极12表示的感测单元10检测科里奥利力在第二方向(感测方向B，此处平行于笛卡尔参考系的轴Z)上引起的移动。[0011]在理想陀螺仪1中，在驱动方向A上恰当地驱动感测质量块5。相反，在非理想陀螺仪1’中，在横向方向W上驱动感测质量块5，该横向方向具有沿感测方向B的驱动分量。
[0012]在感测方向B上的寄生移动引起对感测质量块5的将受正交误差的影响的移动的检测。
[0013]为了补偿正交误差，在已知陀螺仪中，有可能在感测链的各点中作用。[0014]具体地，使陀螺仪能够具有高温度稳定性和随着时间的高稳定性两者的解决方案是所谓的静电消除方法，包括提供每个悬挂质量块下的电极。[0015]例如，图2以简化方式示出了具有悬挂结构的陀螺仪10，此处，该悬挂结构形成四个感测质量块11、12、13和14。此处，感测质量块11至14具有一般四边形形状(例如，矩形)，并且相对于陀螺仪10的中心C且在静止状态下平行于绘图平面(平面XZ)被成对地对称安排。具体地，分别具有质量m1和m2的第一感测质量块11和第二感测质量块12沿第一驱动轴D1(此处，平行于轴X)被驱动，并且相对于与第一驱动轴D1垂直且与轴Y平行的第二驱动轴D2(第三感测质量块13和第四感测质量块14的驱动轴)被彼此对称地安排。如所提及的，第三感测质量块13和第四感测质量块14相对于第一驱动轴D1被彼此对称地安排，并且沿第二驱动轴D2被驱动。在下文中，本说明书将仅涉及第一对感测质量块11、12，但是以下内容也适用于第二对质量块13、14，明显考虑对应驱动轴和感测轴。[0016]感测质量块11、12通过多个弹性弹簧或弹簧而锚定至衬底(未示出)，其中，该图仅示出了安排在感测质量块11至14之间的弹簧16以及在中心C处铰接至衬底的中心质量块15以便可绕未示出的与轴X、Y平行并且延伸穿过中心C的轴旋转。弹簧16向感测质量块11、12提供两个自由度并且更具体地使得能够进行沿第一驱动轴D1的平移运动以及感测运动，该感测运动在与轴Z平行的垂直方向D3上具有分量。[0017]每个感测质量块11、12在质心附近分别具有开口17、18。在图3的示意性侧视图中示出的两对补偿电极20、21和22、23分别安排在每个开口17、18下。图3还示出了衬底25，该衬底在图2的悬挂结构的平面下延伸，此处由其机械当量示意性地表示。具体地，此处，用于连接至中心质量块15的弹簧16被示意性地表示为铰链，像进一步弹簧26一样，这些进一步弹簧安排在图3的表示中的感测质量块11、12的相反端处并且将可移动质量块11、12连接至通常与衬底25刚性连接的固定结构27。补偿电极对20、21和22、23分别安排在以虚线表示的对应开口17、18附近，从而使得每个补偿电极20至23一半在对应感测质量块11、12下延伸并
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且一半在对应开口17、18下延伸。[0018]在存在正交误差的情况下，在陀螺仪10的平面(图2的平面XZ)之外的非理想方向MD1、MD2(图3)上驱动感测质量块11、12。具体地，非理想方向MD1、MD2可能具有沿与轴Z平行的垂直感测轴(此处由D3标示)的分量。随后，图2、3的陀螺仪10可能经受正交力FQ(这些正交力被假设为与针对两个感测质量块11、12的正交力相同并且此处被示出为施加在耦合至中心质量块15的感测质量块11、12的端部)，从而引起感测质量块11、12在感测方向D3上旋转移动(未示出，但参见图6A)。
[0019]静电正交误差消除方法包括向补偿电极20至23施加对应的直流型补偿电压V1、V2、V3、V4。具体地，所施加的补偿电压V1至V4通常具有以下值：[0020]V1＝V3＝VCM-ΔV[0021]V2＝V4＝VCM+ΔV[0022]其中，对于每个陀螺仪10，在校准阶段确定VCM和ΔV。以转子电压VR进一步偏置感测质量块11、12。[0023]在实践中，补偿电极20至24生成补偿力FC(此处被表示为在相对于电极20至23的中间位置施加)，旨在机械地平衡掉正交力FQ，消除由于正交误差而在感测方向D3上引起的移动。
[0024]然而，这并不完全解决问题。事实上，补偿电极20至24由于陀螺仪结构的非对称性和失衡而增加活动范围。进一步地，施加附加电压增加了静电软化效应，即，由于可移动零件与固定零件之间存在的电势差而引起的陀螺仪弹性常数变化而产生的这些设备的谐振频率变化。例如，在以上讨论的静电补偿的情况下，静电软化效应可能需要谐振频率f0(从22kHz到18kHz)的可感测变化。这种变化通常被称为“频率失配”。[0025]在另一方面，高频率失配的存在确定了陀螺仪的灵敏度的显著变化及其性能的降级。
[0026]为了克服由于静电软化而产生的频率失配问题，有可能引入进一步频率调谐电极，陀螺仪的每个感测轴一个频率调谐电极。[0027]根据这种方式，陀螺仪具有十五个电极(针对每个感测轴的用于正交误差补偿的四个电极加上用于频率失配补偿的三个电极)。随后，如在图4中所示出的，将需要至少九个驱动器30、31和至少六个DAC 32、33。[0028]事实上，使用这种方式，通过六个驱动电路30和三个DAC32，根据下文中所提供的方程[1]，以差分方式驱动由Q1X、Q2X、Q1Y、Q2Y、Q1Z、Q2Z标示的正交误差消除电极(应当注意的是，图4仅示出了相同电压下的两个电极组之一)。对于如图5A中所示出的恒定共模电压VCM，对向每对电极施加的差分电压2ΔVx、2ΔVy、2ΔVz进行优化以便生成消除正交误差Qγ的补偿正交Qel。具体地，图5A示出了：使用这种解决方案，所施加的补偿电压V1、V2线性地取决于要生成的补偿正交Qel。[0029]相反，图5B示出了由于以上所讨论的根据所施加的调谐电压VQ的静电软化而产生的谐振频率f0的变化。如在图4中所示出的，可以使用三个单端DAC 33来施加调谐电压VQ。[0030]这种方式将引起由于进一步电极Q3x、Q3y、Q3z的存在而产生的设备尺寸增大并且引起相应驱动电路(DAC 33和缓冲器31)尺寸增大。
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实用新型内容
[0031]本实用新型的目的在于提供能够克服现有技术的缺点的解决方案。[0032]根据本实用新型，如在所附权利要求书中所限定的，提供了一种MEMS陀螺仪、一种用于控制MEMS陀螺仪的方法、以及一种用于设置MEMS陀螺仪的补偿参数的方法。[0033]具体地，提供了一种MEMS陀螺仪(60，100)，包括：支撑结构(125，127)；质量块(111-114)，所述质量块在彼此垂直的驱动方向(D1)和感测方向(D3)上相对于所述支撑结构可移动，所述可移动质量块受正交力矩引起的正交误差的影响；驱动结构(77)，所述驱动结构耦合至所述可移动质量块以便以驱动频率控制所述可移动质量块在所述驱动方向上的移动；运动感测电极(130)，所述运动感测电极耦合至所述可移动质量块，以便检测所述可移动质量块在所述感测方向上的移动；以及正交补偿电极(121-124)，所述正交补偿电极耦合至所述可移动质量块，以便生成与所述正交力矩相反的补偿力矩；所述可移动质量块具有可变谐振频率，所述谐振频率与所述驱动频率之差为频率失配；所述陀螺仪被配置成用于使用补偿电压来对所述正交补偿电极进行偏置，从而以预设频率失配来驱动所述可移动质量块。
[0034]根据一个实施例，补偿电压可随着所述正交误差二次地变化。[0035]根据一个实施例，正交补偿电极(121-124)包括第一正交补偿电极和第二正交补偿电极，所述第一正交补偿电极和所述第二正交补偿电极被配置成用于分别以第一补偿电压V1和第二补偿电压V2而被偏置，其中，V1和V2被选择成用于满足方程：
[0036]
其中：Δf0是所述预设频率失配；VR是所述可移动质量块(111-114)的偏置电压；ωS0是所述可移动质量块的谐振频率；ks/J是与所述可移动质量块的力学常数相关的参数；并且fd是所述驱动频率。[0038]根据一个实施例，第一补偿电压V1和第二补偿电压V2满足方程：[0039]Qel+Qγ＝0[0040]其中：Qel是由以下方程给出的补偿正交：[0041]Qel＝kQ[(VR-V1)2-(VR-V2)2]，[0042]Qγ是所述正交误差，kq是将所述补偿正交Qel与所述补偿力矩Mel联系起来的比例常数。
[0043]根据一个实施例，包括存储器元件(91)，所述存储器元件被配置成用于存储所述补偿电压的值。
[0044]还提供了一种电子系统，包括控制单元(410)以及上述MEMS陀螺仪(60)，所述MEMS陀螺仪耦合至所述控制单元(410)。[0045]在实践中，本陀螺仪被配置成使得相同正交误差补偿电极起作用以便也控制频率失配。如下文中详细讨论的，这通过使用与频率失配具有抛物线关系的电压来对正交误差补偿电极进行偏置而获得。
[0037]
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附图说明
[0046]为了更好地理解本实用新型，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图描述本实用新型的优选实施例，在附图中：
[0047]-图1A和图1B分别是理想陀螺仪和受正交误差影响的非理想陀螺仪的移动的示意性表示；
[0048]-图2是具有正交误差补偿的已知陀螺仪的简化顶视平面图；[0049]-图3是图2的具有正交误差补偿的陀螺仪的示意性横截面；[0050]-图4示出了图2和图3的陀螺仪的驱动电路的简化电路图；
[0051]-图5A和图5B示出了可与图2和图3的陀螺仪一起使用的补偿量；[0052]-图6A是具有正交误差的陀螺仪的示意性横截面；[0053]-图6B是本陀螺仪的实施例的示意性横截面；[0054]-图6C是图6B的陀螺仪的细节顶视平面图；
[0055]-图7示出了作为图6B的陀螺仪的弹性特性变化的函数的针对期望频率失配值的可以用于图6B的陀螺仪的电补偿量的曲线；
[0056]-图8示出了作为图6B的陀螺仪的补偿量和弹性特性变化的函数的针对期望频率失配值的补偿正交Qel的曲线；
[0057]-图9示出了作为补偿正交的函数的用于图6B的陀螺仪的电补偿量的曲线；[0058]-图10示出了用于设置针对图6B的陀螺仪的电补偿量的测试方法的流程图；[0059]-图10A示出了在图10的测试方法中使用的表；
[0060]-图11示出了包括图6B的陀螺仪和控制部分的设备的框图；[0061]-图12示出了图6B的陀螺仪的驱动部件的电路图；并且
[0062]-图13示出了结合了图11的陀螺仪的电子装置的简化框图。
具体实施方式
[0063]如所提及的，本陀螺仪被设计成使得旨在消除正交误差的补偿电极也对频率失配进行调节从而使得这具有所施加的预设值。[0064]为此，可以参照分别示意性地示出了非补偿陀螺仪300和根据本实用新型的一个实施例的具有正交误差补偿和频率调节的陀螺仪60的图6A和图6B。陀螺仪300、60具有与图2和图3的陀螺仪10相同的基本结构。随后，在图6A至图6C中，与图3的那些零件类似的零件在图6B和图6C中由从100增加的相同参考标号标示并且在图6A中由从300增加的相同参考标号标示。
[0065]详细地(图6A)，陀螺仪300包括一对可移动质量块311、312，这些可移动质量块在静止状态下平行于笛卡尔空间XYZ的轴X和Y而延伸，在与轴X平行的驱动方向D1上被驱动，并且由于科里奥利力而进行振荡，以便具有在与轴Z平行的感测方向D3上定向的移动分量。可移动质量块311、312经由第一弹簧316铰接至中心质量块315，并且经由第二弹簧326铰接至固定结构327。
[0066]图6A示出了正交误差对质量块311、312的系统的影响。如所示出的，正交误差是由在方向Z上具有分量、作用于两个质量块311、312上并且生成正交力矩Mγ的寄生力De而产生
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的。
如可以注意到的，将正交力矩Mγ值的一半(Mγ/2)施加于每个可移动质量块311、
312上，并且正交力矩具有臂bγ，该臂与每个可移动质量块311、312的质心距延伸穿过第二弹簧326的垂直线的距离相等。从图6A中，可以进一步注意到的是，如在美国专利申请2015/0114112中详细描述的，此力矩由于可移动质量块311、312通过第一弹簧316和中心质量块315的相互连接而引起每个可移动质量块在相反方向上的旋转。
[0068]图6B示出了具有与陀螺仪300的基本结构类似的基本结构但是具有补偿结构的陀螺仪60。具体地，陀螺仪60具有补偿电极121至124，这些补偿电极在可移动质量块111、112下延伸，并且更精确地在可移动质量块111、112的开口117、118下延伸。补偿电极121至124具有图6C中所示出的矩形形状和尺寸，并且更精确地具有长度L0(在与驱动方向D1平行的方向X上)和宽度p(在方向Y上)。进一步地，补偿电极121至124被安排成距可移动质量块111、112一定距离a(在方向Z上测量的距离)。[0069]图6B进一步示出了固定感测电极130、131，这些固定感测电极被安排在对应可移动质量块111、112下并且电容地耦合至这些可移动质量块。以已知且未在本文中讨论的方式，固定感测电极130、131供应与可移动质量块在感测方向D3上的位移相关的输出电压信号s1、s2，此处，该感测方向被取向为与轴Z平行。
[0070]图6B还示出了补偿电极121至124在可移动质量块111、112两者上生成的并且旨在将正交力矩Mγ设置为零的补偿力矩Mel。以未示出且在下文中描述的方式，补偿力矩Mel由四个分量Mel1至Mel4的叠加给出，每个分量由对应补偿电极121至124生成。这些分量具有对应的臂b1、b2、b3、b4，这些臂与每个补偿电极121至124距延伸穿过用于耦合至固定结构127的对应第二弹簧126的垂直线的距离相等。[0071]基于这些假设，总补偿力矩Mel等于：[0072]Mel＝(Mel1+Mel2)-(Mel3+Mel4) [1][0073]其中：
[0074][0067]
[0075]
[0076]
[0077][0078]
并且εL0、p是在图6C中示出的补偿电极121至124的尺寸；xd是驱0是真空介电常数；
动移动在方向D1上的振幅；a是补偿电极121至124与静止状态下的可移动质量块111、112的平面之间的距离；VR是向中心质量块115施加的电压；V1、V2、V3、V4是向补偿电极121至124施加的补偿电压；并且b1、b2、b3、b4是以上提及的补偿电极121至124的距离。
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通过设置b1＝b4且b2＝b3以及施加补偿电压V1＝V3和V2＝V4，我们获得：
[0080]
[0081][0082]
考虑根据前述方程，补偿力矩由以下方程给出：
[0083]
补偿力矩Mel可以用于将正交误差Qγ引起的正交力矩Mγ设置为零，生成与补偿力矩
Mel成比例的补偿正交Qel。由此可以将其写成：[0084]Qel＝kQ[(VR-V1)2-(VR-V2)2] [3]
[0085]
其中，是将补偿正交Qel与生成补偿正交的补偿力矩Mel联系起
来的比例常数。
[0086]如可以注意到的，补偿正交Qel取决于补偿电压V1、V2。因此，通过在补偿电极121与122之间施加与在补偿电极123与124之间施加的差分电压相等的差分电压ΔV，有可能生成引起取决于驱动移动xd并且取决于补偿电压V1、V2的补偿力矩Mel的静电力。这种静电力由此可以用于根据以下等式消除正交力矩：[0087]Mel+Mγ＝0 [4]
[0088]该等式对应于使得：[0089]Qel+Qγ＝0 [4’]
[0090]如下文中所示出的，通过对V1与V2之间的关系的适当选择，经由补偿电极121至124，进一步有可能调节频率失配。[0091]事实上，向补偿电极121至124施加补偿电压V1至V4确定了质量块111、112的系统的总弹性常数的变化，并且由此确定了谐振频率fs。具体地，谐振频率fs由以下方程给出：
[0092]
[0093]
其中，J是惯性力矩，Km是机械弹性常数，Kel_s是由于在中心质量块115与固定感测
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电极130、131(图6B)之间施加的电势差而产生的静电弹性常数，并且Kel_q是由于在中心质量块115与补偿电极121、122、123、124之间施加的差分电压而产生的静电弹性常数。[0094]具体地，静电弹性常数由以下方程给出：
[0095]
[0096]
考虑V1＝V3且V2＝V4，我们得到：
[0097]
[0098][0099][0100]
其中
从方程[6]中可以看出，电极121至124上的电压变化需要谐振频率fs的变化。由此，频率失配Δf0等于：
[0101]
[0102][0103][0104]
指明
并且将方程[6]代入方程[7]中，我们获得
[0105]
应当注意的是，在方程[9]中，ωS0是当以VR对补偿电极121至124进行偏置时的感测谐振频率。
[0107]方程[3]表明，因为方括号中的两项相减，所以补偿正交Qel取决于电极121至124之间的差分电压。相反，方程[9]表明，因为方括号中相同两项相加，所以频率失配Δf0取决于这些电极的共模电压。随后，对于给定正交误差Qγ，有可能找到补偿该正交误差的并且使陀螺仪60能够以期望的频率失配Δf0值进行工作的单对补偿电压V1和V2值。[0108]对于预设频率失配值Δf0(此处，1kHz)以及对于以理论预期值的2％的增量从-12％(对于底部曲线)到12％(对于顶部曲线)增加的不同弹性常数ks值，考虑到示出了向图6B的陀螺仪60中的补偿电极121至124施加的补偿电压V1、V2之比的图7和图8，这是特别清楚
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的。
应当注意到的是，图7和图8的曲线与施加补偿电压V1、V2相对应，这些补偿电压生
成模量等于Qγ的且异号的补偿正交Qel并且遵循图9中所表示的规律。如可以注意到的，根据频率失配而施加的补偿电压的曲线不再像图5A中那样是线性的，而是二次的，并且共模电压不再恒定。
[0110]下文中将描述用于本陀螺仪的测试方法。事实上，方程[9]具有三个未知数：驱动频率fd，该驱动频率可能关于设计值而变化；感测谐振频率ωS0；以及ks/J。在这些未知数中，可以直接测量fd，而可以通过施加适当的补偿电压V1、V2以及测量频率失配Δf0来间接测量ωS0和ks/J。
[0111]知道这三个变量fd、ωS0和ks/J并且寻求提供预设频率失配Δf0d(此处，1kHz)的补偿电压V1、V2值对，有可能理解图7的曲线中的哪条曲线描述了测试中的特定陀螺仪60的行为，即，哪条曲线是影响此陀螺仪的弹性常数ks的变化。使用图8的曲线以及由此确定的弹性常数ks的值的百分比变化，有可能确定消除正交误差Qγ的第一补偿电压V1的值。由此可以再次根据图7的之前标识的曲线或根据方程[9]而获得第二补偿电压V2的值。[0112]根据本说明书的一方面，在测试期间，对每个陀螺仪60进行测试以便确定要在操作期间施加的补偿电压V1、V2的值。具体地，测试程序可以包括以下步骤(亦参见图10的流程图)：
[0113]-测量驱动频率fd，步骤200；
[0114]-通过施加如以上所指示的适当的补偿电压V1、V2值来间接测量感测谐振频率ωS0和参数ks/J，步骤202；
[0115]-获取期望频率失配Δf0d值(此值与系统增益呈负相关，并且通常在设计阶段被固定)，步骤204；
[0116]-以步长ΔV(例如，1V，从1V到VR(例如10V))施加多个补偿电压V1、V2值，并且测量相应频率失配Δf0值；由此获得的频率失配Δf0值例如保存在图10A中指示性示出的表220中，步骤206；
[0117]-在表220中搜索由期望频率失配Δf0d值表征的点，步骤208；在实践中，这些点的集合表示与可能对测试中的陀螺仪施加的弹性常数ks的变化相对应的曲线(来自图7示出的曲线当中)；
[0118]-在步骤208中所标识的点的集合当中，标识生成补偿正交Qel的第一补偿电压V1的点值，该补偿正交在方程[3]和方程[4]的基础上补偿正交误差Qγ，步骤210；
[0119]-从步骤208中所标识的曲线中或者使用方程[9]来标识第二补偿电压V2的点值，步骤212；以及
[0120]-将补偿电压V1、V2值对存储在如下文中参照图11描述的与测试中的陀螺仪相关联的存储器中，步骤214。
[0121]图11示出了使用以上所描述的频率失配补偿原则的电子设备100的框图。[0122]在图11中，电子设备100包括陀螺仪60(此处，经由其功能框表示)和控制元件65。[0123]陀螺仪60集成在示意性地表示的半导体芯片70中并且具有与图2的陀螺仪10相同的结构。因此，参照图6B描述的元件由相同参考标号标示。详细地，中心质量块115锚定至未示出的衬底(与图6B的衬底125类似)，该中心质量块可绕与陀螺仪60垂直(与轴Z平行)的轴
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旋转并且延伸穿过中心C。中心质量块115经由第一弹簧116耦合至四个可移动质量块111至114，图11中更详细地表示了这四个可移动质量块中的仅一个可移动质量块(可移动质量块117)。可移动质量块111至114相对于中心C成对地对称安排并且在静止状态下与如图2的陀螺仪的绘图平面(平面XY)平行地延伸。可移动质量块111至114具有两个自由度并且经受沿对应驱动轴的驱动运动以及经受沿与驱动轴垂直的对应感测轴具有分量的感测运动。以本身已知的方式，可移动质量块111至114由此具有类似的但被配置成用于检测绕不同轴的移动的基本结构。加以必要的变更，本说明书由此仅涉及更详细地示出的可移动质量块111，但是还可以应用于其他可移动质量块112至114。[0124]具体地，可移动质量块111经受沿与轴X平行的驱动轴D1的驱动运动以及经受沿与轴Z平行的感测轴D3具有分量的感测运动。[0125]此处，通过相对于彼此刚性连接的感测质量块72和补偿质量块73来示意性地表示可移动质量块111。感测质量块72可以具有如图2中所示出一般梯形形状。补偿质量块73具有一般中空矩形形状，覆盖补偿电极121、122对。具体地，开口117形成于补偿质量块73中并且具有与轴Y平行的两个侧面117A、117B。每个补偿电极121、122沿开口117的对应侧面117A、117B延伸，一半在补偿质量块73下并且一半在开口117下。
[0126]可移动质量块111经由使得能够进行感测移动的第二弹簧76而连接至在驱动方向D1上驱动可移动质量块111的致动模块77，并且通过第三弹簧78而连接至用于感测驱动移动79的具有检测有效驱动参数(包括如以上所讨论的驱动频率fd)任务的模块。
[0127]致动模块77和用于感测驱动移动79的模块连接至形成于控制元件65中的驱动控制模块85。控制元件65通常集成在不同芯片90中并且包括例如ASIC(专用集成电路)。[0128]控制元件65进一步包括连接至感测电极130的感测模块88、存储如以上所讨论的在测试期间计算的补偿电压V1、V2值的参数存储器91、DAC 92和缓冲器93。DAC 92形成电压源，每个电压源被配置成用于施加补偿电压V1、V2，这些补偿电压值由存储器91的内容指定。[0129]例如，每个DAC 92和相关联的缓冲器93可以按如图12中所示出的方式安排。在实践中，在所示出的实施例中，DAC 92由耦合于参考电压V参考与质量块之间的并且包括多个电阻器96的电阻式分压器95形成，这些电阻器可以通过在存储器91的内容的基础上驱动的开关97而耦合至缓冲器93。
[0130]本文中所描述的MEMS陀螺仪60由此使得能够使用调节正交误差的相同电极采用静电方式来调节频率失配并且由此具有减小的尺寸和低消耗水平。
[0131]图13展示了结合电子设备100的并且可以在如掌上型计算机(个人数字助理，PDA)、可能具有无线能力的膝上型计算机或便携式计算机、蜂窝电话、消息收发设备、数字音乐播放器、数码相机、或被设计成用于处理、存储、传输或接收信息的其他装置等装置中使用的电子系统400的一部分。例如，电子设备100可以用在数码相机中以检测移动并且执行图像稳定。在可能的实施例中，电子设备100包括在用于计算机或视频游戏控制台的运动激活的用户接口中。在进一步实施例中，电子设备100结合在卫星导航设备中，并且在卫星定位信号丢失的情况下用于临时位置跟踪。
[0132]图13的电子系统400包括控制单元410、输入/输出(I/O)单元420(例如，键盘或显示器)、电子设备100、无线接口440和易失性或非易失性类型存储器460，这些部件通过总线150而彼此耦合。可替代地，存储器460可以处于控制单元410内部或者可以取代处于图11的
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控制元件90内部的存储器91并且存储可用于操作电子设备100的参数和量，如补偿电压V1、V2等。在一个实施例中，电池480可以用于向系统400供电。然而，电子系统400甚至可以仅包括图13中所示出的单元中的一些单元。
[0133]控制单元410可以包括例如一个或多个微处理器、微控制器等。在不同实施例中，其可以整合图11的控制元件90的功能，并且图13的电子设备100可由陀螺仪60形成。[0134]I/O单元420可以用于生成消息。系统400可以使用无线接口440通过射频(RF)信号来向和从无线通信网络(未示出)发射和接收消息。无线接口的示例可以包括天线、如偶极天线等无线收发器，尽管本实用新型的范围不限于此。进一步地，I/O单元420可以提供表示所存储的内容的电压作为数字输出(如果已经存储了数字信息)或者作为模拟输出(如果已经存储了模拟信息)。[0135]最后，清楚的是，可以对本文中所描述和展示的陀螺仪、控制方法和调节方法做出修改和变化，而不会由此脱离如在所附权利要求中限定的本实用新型的范围。
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图2
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图4
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图6A
图6B
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图8
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图12
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