简化校准的陀螺仪以及陀螺仪的简化校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有简化校准的MEMS和/或NEMS型陀螺仪以及陀螺仪的简化校 准方法。
【背景技术】
[0002] MEMS(MicroElectroMechanicalSystem,微机电系统）和 / 或 NEMS(NanoElectroMechanicalSystem，纳机电系统）型的陀螺仪通常包含使用弹簧共同悬 挂并连接到衬底上的一个质量块或一组质量块组成。一个或多个质量块具有数个自由度， 并且被设定为根据多个模式之一来谐振受控振动，该模式被称为按照第一自由度的激励模 式。当存在旋转时，科里奥利力（Coriolisforce)出现并且将质量块或全部质量块中的一 部分设定为按照与第一自由度垂直的第二自由度振动，并且对应的模式被称作检测模式。
[0003] 多数陀螺仪使用机械解耦将激励部分和检测部分隔离。在激励存在机械缺陷的情 况下，将会生成按照检测方向的运动并且这将影响检测质量块。
[0004] 陀螺仪中存在偏置。该偏置具有与科里奥利信号Q同相的分量Bi，称为相位偏 置，以及正交分量Bq，称为正交偏置。通过测量检测质量块，则获得以下信号S:
[0005] S= (Bi+^ )cos(?〇t)+Bqsin(co〇t) (I)
[0006] 在理想情况下，通过解调陀螺仪提供的信号，正交偏置应当被消除。然而，解调绝 不是完美的，并且具有相位误差染^和相位噪声Cp1^ise ((p^I
[0007] 解调信号如下：
[0009] 正交偏置因而导致出现解调信号中偏置分量以及噪声分量。
[0010] 因此，正交偏置无法被消除。
[0011] 该偏置的存在归因于实现陀螺仪期间的技术缺陷。
[0012] 主要缺陷是非对角线刚度系数kxy，该非对角线刚度系数生成正交偏置。在平面内 激励模式和平面内检测模式的框架内，陀螺仪则被称为"陀螺仪Z"，因为这允许检测围绕 平面外的轴线的旋转，该正交偏置尤其归因于激励弹簧的过度刻蚀造成的局部振动。此现 象在以下文件中进行了说明：S.V.Iyer，"Modelingandsimulationofnon-idealities inaZ-axisCM0S-MEMSgyroscope"（Z轴CM0S-MEMS陀螺仪中的非理想因素的建模和仿 真），自然哲学博士论文集，电子工程系，卡内基梅陇大学，匹兹堡，巴拿马，2003年，以及 E.Tatar、S.E.Alper、T.Akin，"Effectofquadratureerrorontheperformanceofa fullydecoupledMEMSgyroscope"（完全解親MEMS陀螺仪的性能的正交误差的影响）， IEEEMEMS2011会议，坎昆，墨西哥，2011年1月23日至27日，第569-572页。
[0013] 在平面内激励模式和平面外检测模式的框架内，陀螺仪则被称为"陀螺仪X或 Y"，该偏置尤其归因于激励弹簧的刻蚀角度。此现象在以下文件中进行了说明：P.MerZ、 W.Pilz、F.Senger、K.Reimer、M.Grouchko、T.PandhumsoporruW.Bosch、A.Cofer、S.Lassig，"ImpactofDRIEonVibratoryMEMSgyroscopeperformances"（DRIE对振动MEMS陀 螺仪性能的影响），Transducers&Eurosensors2007会议，里昂，法国，2007年6月10日至 14 日，第 1187-1190 页，以及M.S.Weinberg、A.Kourepenis，"Errorsourcesinin-plane silicontuning-forkMEMSgyroscopes"（平面娃音叉MEMS陀螺仪内的误差来源），为电 子机械系统杂志，第15卷，第3号，第42至54页，2006年6月。
[0014] 该正交偏置导致激励的运动，该运动与激励轴线并不完全共线。
[0015] 非对角线阻尼系数Cxy和激励电极的检测模式的直接激励F 也能够是相位偏置 或者正交偏置的来源。
[0016] 如上文中所指，多数陀螺仪实现激励质量块和检测质量块。在激励质量块存在机 械缺陷的情况下，将会生成按照检测方向的运动并且这将影响检测质量块。
[0017] 激励质量块和检测质量块系统的方程如下：
[0023] O0exc激励频率；
[0024] ?Qdet检测频率；
[0025] Qdet品质因数。
[0026] 激励质量块的偏置移动被检测模式的振荡器以被称为放大因数的因数A放大：
[0028] 在调谐频率工作模式（即激励频率等于检测频率）的情况下，放大因数A为：
[0029] A=Qdet
[0030] 品质因数Qdet约为1000至100000。
[0031] 在此情况下，机械灵敏度为：
[0033] 在非调谐频率工作模式（即激励频率小于检测频率）的情况下，放大因数为：
[0035] 放大因数A约为2至100。对于20kHz的工作频率fQexc和IkHz的偏移fQdet，该因 数为10。在此情况下，机械灵敏度为：
[0037] 应当注意，激励频率是已知的，这是因为激励模式是谐振受控的。
[0038] 然而，该放大因数能够在整个相同衬底上、或者在不同衬底之间大幅变化。尤其 是，当工作在非调谐频率下时，按照所看到的标称频率偏移，放大因数能够很容易地以因数 2甚至更多来变化。另外，该放大因数随温度变化。
[0039] 而且，在实现电容式检测的陀螺仪的情况下，按照检测模式的运动被变换为电容 变化，电容变化取决于在检测质量块的运动过程中电极之间的空气间隙的变化。然而，空 气间隙的初始尺寸在不同的晶片中彼此不同，但是通常被控制在几个百分点内，甚至小于 1%〇
[0040] 这些技术缺陷的存在要求在使用陀螺仪之前校准陀螺仪，以针对一个或多个温度 来确定各个传感器固有的偏置并且获得传感器的灵敏度。
[0041] 这样的校准借助于旋转表来完成。尤其是，对于多轴传感器，或者需要在不同表上 获得与轴线数量成比例的若干测量值，又或者使用诸如文件US6 209 383中所述的复合 表。
[0042] 由于陀螺仪的偏离，对定期的温度修正或重校准进行规划。
[0043] 一旦已知温度特性变化的系数，温度修正能够经通过传感器在工作期间的温度测 量由现有的温度计算来完成。
[0044] 该测量能够通过测量已知的谐振激励频率来进行。输出信号则通过考虑温度来修 正。
[0045] 还能够完成定期的重校准。例如，文件US2011/0172820说明了一种用于对安装 在机器人中的陀螺仪进行重校准的方法。当机器人静止时，重校准通过使用陀螺仪发出的 信号来实现。在文件US2011/078707中，重校准实现诸如加速计和磁力仪之类的其他传感 器。
【发明内容】
[0046] 因此，本发明的一个目的是提供一种陀螺仪，该陀螺仪能够以简化方式进行校准 和重校准，并且提供了陀螺仪的简化校准和重校准方法。
[0047] 上述目的由一种陀螺仪来实现，该陀螺仪包括在激励下能够运动的质量块和在检 测中能够运动的质量块，用于在第一方向上向激励质量块施加激励信号的装置，用于对检 测质量块在与第一方向垂直的第二方向上的运动进行检测的装置和用于对激励质量块在 第二方向上的运动进行检测的装置，以及用于处理由对检测质量块的运动进行检测的装置 和对激励质量块在第二方向上的运动进行检测的装置所发出的检测信号的装置，以此获得 陀螺仪的至少一个校准参数。
[0048] 例如，这些校准参数能够是相位偏置、正交偏置和放大因数。
[0049] 本发明照此允许跟踪传感器在工作过程中的偏置和/或灵敏度的变化。
[0050] 换言之，陀螺仪另外测量检测质量块沿检测方式向的运动以确定科里奥利力，由 偏置造成的激励质量块沿检测方向的运动。通过获取测量值，并且通过使用检测质量块的 测量值来处理该获取的测量值，则可以确定陀螺仪的偏置（相位偏置和正交偏置）、放大因 数和转速。
[0051] 得知这些参数可以校准和重校准陀螺仪。
[0052] 如上所述，这些参数随温度变化，如果检测到环境温度的变化，则得益于本发明而 非常简单地重新确定参数，这使得可以实现陀螺仪的简化重校准。
[0053] 得益于本发明，校准能够在没有旋转表的情况下完成，并且在