专利名称：采用sigma-delta调制的微机械旋转率传感器正交和共振频率的解耦控制方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求I前述部分的方法以及一种微机械旋转率传感器，所述微机械旋转率传感器具有共同地与第一震动质量(seismicmass)相关联的至少三个修整电极元件。
背景技术：
已知的是，用于将旋转率传感器中的震动质量抑制在一定范围的微机械弹簧已经导致在驱动模式或主要模式中的读取方向上存在由于相对较小的制造不准确性而产生的偏差，该制造不准确性使得特别是在不存在旋转率的情况下出现各自结构的不期望的边缘角。结果，产生干扰信号，该干扰信号是作为旋转率信号分量而被不期望地评估的，并且因 而伪造旋转率信号或者导致与旋转率信号相关的测量误差。这类非期望的边缘角或弹簧倾斜是工艺导致的并且仅能在有限角度内避免。如上所描述的干扰信号，其并不是由于所检测的旋转率而是由于读取方向上的故障偏差(其根据驱动方向中的震动质量及其弹簧的偏差)而出现的，所述干扰信号也被称为正交或正交信号。文献WO 03/010492 Al提出了一种用于在旋转率传感器中抑制正交信号的方法，其中所述旋转率传感器包括与震动质量相关联的两个修整电极安排，在所述方法中，通过向修整电极施加电压的方式来抑制旋转率传感器的正交。然而，这种正交抑制会不期望地影响旋转率传感器读取模式的共振频率，结果这导致共振频率之间的差分频率也随着旋转率传感器的驱动模式或主要模式以及读取模式或次要模式而改变。由于在读取模式共振频率的改变中二次方地包含了施加到修整电极上的电压，因此这将更为不利。通常，晶片的旋转率传感器的正交的实施例由于工艺变动而变化程度相对较高并且对于晶片的每个旋转率传感器而言也十分地不同。此外，已知地，通过至少一个修整电极元件或修整电极来重置读取模式或次要模式下的旋转率传感器的一个或多个震动质量的偏差。然而，这通常也会影响次要振荡器的共振频率，以及影响可能的正交抑制。
发明内容
本发明目的在于提供一种旋转率传感器的测量方法以及对应的旋转率传感器，利用该旋转率传感器并且基于所检测的旋转率、正交抑制以及次要振荡器的共振频率设置而对次要模式的偏差进行重置，能够被共同地执行，特别地使得这三个影响能够至少部分彼此独立地被执行或设置。通过根据权利要求I的方法以及根据权利要求15的微机械旋转率传感器来实现本发明的目的。优选地，所述方法和旋转率传感器被体现或设计成使得至少能够基于所检测的旋转率和正交抑制并且与震动质量偏差的重置无关地来执行共振频率的设置，以及使得特别是还能够基于所检测旋转率或次要模式范围内的至少一个震动质量的整个偏差以及正交抑制来彼此无关地设置偏差的重置。优选地，将正交操纵变量定义为用于抑制由正交所引起的次要模式的偏差或振荡的静态操纵变量。因此，特别地，抑制了旋转率传感器输出信号的不期望的正交信号或正交信号分量，其通常关于构成旋转率的旋转率传感器输出信号分量而基本上相移90°或270° 方便地，重置操纵变量是谐波振荡信号，其幅度取决于第一控制器单元的输出，其中该幅值乘以谐波振荡信号，该谐波振荡信号具有与主要模式或驱动模式相同的频率。优选地，将共振频率操纵变量定义成静态变量，利用该静态变量，读取模式下的共振频率和驱动模式下的共振频率之间的频率差值基本上具有限定值或被调整为限定值，或者可选地优选为零或被调整为零。驱动模式或主要模式优选地被看作是旋转率传感器的自然模式，优选地是自然振荡，特别优选地是在至少一个震动质量的共振频率处振荡，其中旋转率传感器的震动质量特别地是连续地振荡。更特别优选地，旋转率传感器具有至少两个震动质量，其彼此耦合并且在驱动模式期间以相反相位振荡或者在相同方向上均存在彼此反向的偏差。读取模式或次要模式优选地被看作是由于旋转率和Coriolis应力的相关效应而被优选地设定的自然模式。优选地，旋转率传感器包括至少四个修整电极元件，其共同地直接或间接关联于所述震动质量，其中在第一修整电极元件和震动质量之间施加第一电修整电压，在第二修整电极元件和震动质量之间施加第二电修整电压，在第三修整电极元件和震动质量之间施加第三电修整电压，以及在第四修整电极元件和震动质量之间施加第四电修整电压，其中第一修整电压U1、第二修整电压U2、第三修整电压U3以及第四修整电压U4均基本上按照共振频率操纵变量 τ、正交操纵变量iic和重置变量fls的以下相关性而被设置
权利要求
1.一种用于微机械旋转率传感器的准确测量操作的方法，所述微机械旋转率传感器包括至少一个震动质量、用于以主要模式( )驱动所述震动质量的至少一个驱动设备、以及共同地与所述震动质量直接或间接地相关联的至少三个修整电极元件(I )，其中，在这些修整电极元件(I)中的每一个与所述震动质量之间施加电修整电压(U1, U2, U3, U4),其特征在于根据共振频率操纵变量(沒j， τ，(0、正交操纵变量(^7， <，(0和重置变量来设置这些电修整电压(U1, U2, U3, U4)中的每一个。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述旋转率传感器(I)包括至少四个修整电极元件(1)，其共同地直接或间接关联于所述震动质量(2)，其中在第一修整电极元件和所述震动质量之间施加第一电修整电压，在第二修整电极元件和所述震动质量之间施加第二电修整电压，在第三修整电极元件和所述震动质量之间施加第三电修整电压，以及在第四修整电极元件和所述震动质量之间施加第四电修整电压，其中所述第一修整电压U1、所述第二修整电压U2、所述第三修整电压U3以及所述第四修整电压U4每个都基本上利用共振频率操纵变量 τ、正交操纵变量iic和重置变量Os的以下的相关性而被设置
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述修整电极元件(I)每个都被体现和安排成使得电容C1，C2，C3和C4形成在所述第一、第二、第三和第四修整电极元件与相关震动质量的各自相关质量电极元件(2)之间,其中施加在所述修整电极元件和所述质量电极元件之间的相关修整电压如下
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所有所述修整电极元件/质量电极元件对(I, 2)中，Ai, I^ti, gi和Si基本上相同。
5.如权利要求I到4中的至少一个所述的方法，其特征在于，所述旋转率传感器包括控制安排(3)，其中首先利用预定义的控制参考变量而从所述控制变量(y)中形成控制误差变量，其中所述控制变量(y)代表其次要模式的方向中的所述震动质量的所检测的偏差，以及其中所述控制参考变量是具有利用所述主要模式的频率(Q1)而调制的频率为的谐波频率识别信号(yD)，或者该频率识别信号被叠加在所述控制参考变量上，其后，如此形成的所述控制误差变量被馈送给第一控制器单元(4)，在所述第一控制器单元中至少产生所述重置信号(2S)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述重置变量( )随后在第一解调器单元(5)中利用两个彼此相位移动90度的谐波信号而被解调，由此获取了正交变量和旋转率变量，其后，根据正交参考变量而从所述正交变量中产生正交控制误差变量，所述正交参考变量特别地为“O”值，其中所述正交控制误差变量被馈送给正交控制器单元(10)，其使得所述正交操纵变量( )在输出侧变为可用，以及其中所述旋转率变量或正交变量利用频率在第二解调器单元(8)中被解调，由此获取获取频率变量，其后，根据频率参考变量而从所述频率变量中产生频率控制误差变量，所述频率参考变量特别地为“O”值，其中所述频率控制误差变量被馈送给频率控制器单元(9)，其使得共振频率操纵变量(4)在输出侧变为可用。
7.如权利要求I到4中的至少一个所述的方法，其特征在于，所述旋转率传感器包括控制安排(3)，其中首先利用预定义的控制参考变量而从控制变量(y)中产生控制误差变量，其中所述控制变量(y)代表在其次要模式的方向中的所述震动质量的所检测的偏差，以及其中所述控制参考变量是具有利用主要模式的频率(Q1)而调制的频率为的谐波频率识别信号(yD)，或者该频率识别信号被叠加在所述控制参考变量上，其后，如此形成的所述控制误差变量被馈送给第一控制器单元(4)，随后该第一控制器单元(4)的输出信号在第一解调器单元(5)中利用两个彼此相位移动90度的谐波信号而被解调，由此获取正交变量和旋转率变量，其后，根据正交参考变量而从正交变量中产生正交控制误差变量，所述正交参考变量特别地为“O”值，其中所述正交控制误差变量被馈送给正交控制器单元(10)，其使得所述正交操纵变量(l>.在输出侧变为可用，以及其中所述旋转率变量或正交变量利用频率在第二解调器单元(8)中被解调，由此获取获取频率变量，其后，根据频率参考变量而从所述频率变量中产生频率控制误差变量，所述频率参考变量特别地为“O”值，其中所述频率控制误差变量被馈送给频率控制器单元(9)，其使得所述共振频率操纵变量(七)在输出侧变为可用。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述旋转率传感器具有使得置变量( ,Usd)变为可用的重置单元，其中该重置变量( , GSD):特别地具有限定常量的重置值。
9.如权利要求I到8中的至少一个所述的方法，其特征在于，所述控制安排(3)包括sigma-delta转换器，利用该转换器，所述控制变量被直接数字化或者与其相关的至少一变量被数字化，随后所述共振频率操纵变量(4)、所述正交操纵变量( )和所述重置变量( )作为数字变量而被生成。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述Sigma-delta调制器被体现为电机械式Sigma-delta调制器。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述sigma-delta调制器包括安排在所述第一控制器单元(4)的输入侧上游的电容/电压转换器(13)、所述第一控制单元自身(4)、在所述第一控制器单元的输出侧与其连接的量化器(12)、以及用于反馈控制过程的数字/模拟转换器和电压/应力传感器。
12.如权利要求I到11中的至少一个所述的方法，其特征在于，所述旋转率传感器，特别是其控制安排(3)，具有操纵变量转换单元(7)，该操纵变量转换单元使得修整电压ul, u2, u3和u4根据所述共振频率操纵变量flT、所述正交操纵变量flC以及所述重置变量HS并且按照以下等式而变为可用
13.如权利要求5到12中的至少一个所述的方法，其特征在于，所述第一控制器单元(4)的输出信号被数字化，以及至少所述第一解调器单元(5)、所述第二解调器单元(8)、所述正交控制器单元(10)和所述频率控制器单元(9)以数字形式而体现，此外，所述操纵变量转换单元(7)和/或重置单元(11)也特别地以数字形式而体现。
14.如权利要求7到13中的至少一个所述的方法，其特征在于，在任何情况下根据所述量化器(12)的数字输出信号，两个修整电压(UpU4), (U2, U3)借助于一个混合器(Ml,M2)而被成对地处理。
15.一种微机械旋转率传感器，包括至少一个震动质量、用于以主要模式( )驱动所述震动质量的至少一个驱动设备、以及共同地与所述震动质量(2)直接或间接地相关联的至少三个修整电极元件(I )，其中，在任何情况下，在这些修整电极元件中的每一个和所述震动质量之间施加电修整电压，其特征在于，所述旋转率传感器被体现成使得其适于执行如权利要求I到14中的至少一个所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于微机械旋转率传感器的准确测量操作的方法，所述传感器包括至少一个震动质量、用于以主要模式(q1)驱动该震动质量的至少一个驱动设备、以及共同地与震动质量直接或间接地相关联的至少三个修整电极元件(1)。在所述修整电极元件(1)和所述震动质量之间施加电修整电压(u1,u2,u3,u4)。根据共振频率操纵变量正交操纵变量和重置变量来调节这些电修整电压(u1,u2,u3,u4)中的每一个。
文档编号G01C19/56GK102893127SQ201180024166
公开日2013年1月23日 申请日期2011年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者M·埃格雷兹博格, A·库吉, F·迈尔, M·莫勒, Y·马诺利, T·诺瑟曼 申请人:大陆-特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司, 阿尔布莱希特-路德维希-弗莱堡大学