专利名称：具有正交抑制的速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器，更具体的但不仅仅涉及如惯性传感器的传感器，例如加速计和陀螺仪，具有高电平的正交抑制能够使这种传感器的信号通道中误差最小化。
背景技术：
许多种类的惯性传感器的类型是已知的。例如，包含M EMS型环的角速度传感器是已知的并且这样的实例能够在例如GB2322196中看到。在这样的角速度传感器中，振动平面环或类环状结构被公开。该类环状结构通过合适的支持座悬在空间中以用于检测旋转速度、线性加速度和角加速度。旋转速度通过检测科里奥利(Coriolis)力耦合的振动被感知，然而线性加速度和角加速度通过整个环或类环状结构在其底座中的横向的、纵向的和摇摆的运动而被感知。> 1000° /s的相对于所需要的速率信号(< 1° /s)位于90°处的高电平的正交偏移可能出现在机械的MEMS陀螺仪中并且没有昂贵的机械修整的情况下不容易被减少。这需要MEMS陀螺仪的次级通道具有高电平的正交抑制，大约或者大于60db，其相当于<0.05°的解调器的相位精度。另外，由于高电平的不良正交信号，次级通道内的解调电路在非常短的时间段期间承受电压中高电平的显著快速变化(dv/dt)。
发明内容
为了解决这些问题以及制造精确的系统，需要使用高性能电路、非常精确的相位、高带宽和快速转换速率。这可能增加成本和传感器的尺寸。根据本发明提供一种包括具有初级和次级元件的环型传感器的角速度传感器，所述传感器还包括连接至所述初级和次级元件的初级和次级通道，所述初级通道包括用于启动和保持所述初级元件中共振的初级驱动装置，所述次级通道包括用于检测由所述次级元件响应于所述传感器的运动而生成的信号的检测装置，所述检测装置包括差分放大器和根据所述传感器的移动而生成输出信号的同步检测器，其中所述次级通道还包括用于改善所述次级通道信号中的正交抑制的装置，所述装置包括含有同步检测器、无源和有源滤波器以及抽取器的一系列电路，所述输出信号通过所述系列电路传输并从而抑制高电平的正交信号。根据本发明还提供一种减少MEMS角速度传感器的次级通道信号中的正交抑制的方法，包括以下步骤使用同步检测器检测所述信号；使用无源滤波装置对所述信号进行滤波；用有源滤波装置对所述信号进行滤波；抽取所述信号以便抑制所述信号的任何剩余的正交分量；以及平衡(averaging)来自所述有源滤波器的输出的偏移(offset)。通过这种方式，所述次级通道信号被修改为包括许多阶段，与在抑制的88db的区域提供的整体相结合，尽管不同的抑制电平可以通过阶段的合适变化得到。另外，所使用的体系结构被设计为最小化各种阶段所需要的性能，以便降低所需要的相位精确度，减小所需要的带宽，减小所需要的转换速率并从而减小电流消耗。通过这种方式，使用相对低性能的电流制造具有高电平的正交抑制的传感器。
现在将参考附图来描述本发明，其中图I是根据本发明的一种形式的包括能够减小正交抑制的高电平的电路的角度传感器的示意图。如图I所示，角速度传感器的MEMS环结构I包括内部2和外部3，其边缘绕着共同轴延伸，有区别的进行驱动和敏感元件(PickofT)的操作。提供了引起传感器在支持上振动(未图示)的压电式初级驱动装置4。所述支架可以包括多个柔性支撑梁(未图示)以用于支撑传感器并用于允许其响应于基本无阻尼的振荡模式中的压电式初级驱动装置的输入而振动。这能够使共振器响应于包括传感器的系统的旋转速度而相对于支撑装置运动。检测电路5被提供，将一连串的信号6从传感器输入至该检测电路。由传感器输·出的信号包括初级传感信号6a和次级传感信号6b并且转换器板被布置成以使信号具有差分形式。这些信号从传感器的初级和次级部分被输出。初级敏感元件差分转换器信号被输入到差分电荷放大器(初级敏感元件放大器)7，差分电荷放大器提供高电平的增益以在载波频率上提供低噪声差分正弦输出信号。然后这个信号被传递通过同步检测器8并进行适当的滤波以向初级驱动电路I提供控制信号来设置应用至MEMS的驱动电平，以确保初级敏感元件放大器输出处于受控的固定电平上。初级敏感元件放大器7的输出还被应用于初级锁相环(PLL)和压控振荡器(VCO) 10，其将环的频率锁定至它的自然初级共振频率以提供用于同步检测器8的时钟。初级敏感元件放大器7的输出还被应用于初级移相电路11，其通过两个因素放大信号并将差分信号的相位移动90°。移相电路11的输出被应用于初级驱动器电路I，其通过AGC控制信号增加移相电路11的差分正弦输出以生成差分MEMS驱动波形。传感器6b的次级部分的输出被输入到次级敏感元件放大器13。然后次级敏感元件放大器13的输出被连接到两个同步检测器14、15的输入。正交通道同步检测器14被用于生成与正交信号的数量成正比的基带电压。信号(速率)通道同步检测器15与一组串联电路相结合而被使用；即离散功能块，该离散功能块处理所述信号从而生成与信号速率成正比的基带信号，以便功能块的结合抑制敏感元件放大器的输出上的正交信号高电平。正交抑制电路包括4级；级I是同步检测器20和用一组简单开关，以确保快速开关时间和精确的同步检测。使用具有快速开关时间的简单开关确保相位的精确同步检测和非常低的信号失真，同时非常简单并使用了最小的电源电流。级2是无源滤波器21并可以是简单的一阶RC低通滤波器。当同步检测器的输出包含大的dv/dt间断点(discontinuities),该大的dv/dt间断点在被应用至例如有源滤波器22的下一电路之前被无源滤波器显著地减少，这是必须的。对于有源滤波器可能难以处理具有大的dy/dt间断点的信号，因为有限带宽是和相关于有源电路的转换速率将导致不对称的时间响应并从而显著减少的正交抑制。级3是有源滤波器22并可以是简单的一阶低通滤波器。滤波器22还减少了解调过程的任何人为因素并且提供额外的所需的直流信号电平的滤波。有源滤波器22中的运算放大器被斩波以抑制闪烁噪音并在所述调制器时钟之后被布置成为45°以确保其与取样点不重合。级4是抽取器级23，其采取行动以通过抽样由正交信号生成的纹波并将其平均为零以及平衡来自有源滤波器22的输出的偏移(offset)来典型地抑制信号的任何剩余正交分量。抽取器23以4倍载波频率速率进行抽样并平均这些抽样以以载波频率速率提供输出。这抑制任何载波频率或由于解调和滤波阶段引起的两倍载波频率分量并避免对这些进行二次抽样直到形成直流偏移。由正交信号生成的任何剩余的纹波通过抽取过程被采样并被抑制。现在将更详细地描述所述四级。在级I中，输入载波频率使用正确的相位时钟信号使用简单的开关被解调并输出全波整流的正弦波，其能够被平衡(averaged)以提供直流信号。任何正交信号将在解调的输出信号上生成具有大的dv/dt间断点的纹波信号。其通过无源滤波器22，该无源滤波器开始滤波全波整流正弦波。解调器和无源滤波器被放置在有源滤波器22前，因为非常大的·正交信号来自所述解调器的斩波正弦波具有非常大的电压间断点，这使其不适合作为用于许多有源电路的输入。有限带宽和有源电路的转换速率会导致不对称的时间响应并显著地降低正交抑制。无源滤波器的使用首先将这些大的电压间断点转换为小得多的dv/dt间断点。然后无源滤波器的输出将电流限定到有源低通滤波器中，该有源低通滤波器通过它的性质能够将间断点减小至甚至更小的梯度。来自运算放大器的所需的信号现完全处于小的信号响应区，其仅具有很少的降低有源滤波器中所需的放大器性能的解调过程人为因素(artefact)。为了进一步提高正交抑制，解调器中的开关被设计为在中间干线电压周围提供平衡电阻。有源滤波器22同时提供额外的平整的所需直流信号和低输出阻抗以用于连接随后电路。有源滤波器中的运算放大器还被斩波以这个阶段的抑制闪烁噪声并在解调器时钟之后被布置成45°，以确保斩波不发生在采样点。然后有源滤波器22的输出被传递到抽取器23，抽取器23通过抽样由正交信号生成的纹波并将其平衡为零以及平衡来自所述有源滤波器22的输出的偏移来增强正交抑制。抽取器以4倍载波频率抽取并且以载波频率速率提供平均输出。解调信号包含两倍载波频率的频率，并且因此必须以两倍的最高频率被抽样以避免混叠(aliasing)。应该领会的是超过4的其他的倍增因数可以使用(8、16等)，但是使用这种方法抑制任何载波频率或由于解调和过滤阶段引起的两次载波频率分量以及避免对这些进行二次抽样直到形成直流偏移将进一步增加延迟和复杂性。其还将任何剩余的正交信号归零并平衡先前阶段的输入偏移使它们呈现为斩波补偿。通过这种方式，实现大的正交信号的非常高的抑制。另外，存在减少对有源电路的性能要求、更低的增益带宽、转换速率和功耗。正交抑制级的级4的输出被输入到速度通道程序增益放大器和输出缓冲级25并随后被输出到A-D转换器26，以根据传感器的运动以产生所需信号。应该领会的是上述方案可以被应用于MEMS传感器的输出不是差分的情况。描述的级的顺序可以被改变但是所描述的顺序已经实现最小化电路需求并达到最佳的正交抑制。
应该领会的是尽管参考上述类型的角速度传感器描述了本发明，但是其同样可以被应用到例如压电环式的传感器，并同样应用于诸如压电式压电式、电容式、电感式的其他形式的转换。
还应该领会内部和外部电极仅仅涉及压电式。反相位信号能够从来自诸如电容或感应敏感元件的非压电敏感元件的45deg到135deg等获得。
权利要求
1.一种角速度传感器，包括具有初级和次级元件的环型传感器，所述传感器还包括连接至所述初级和次级元件的初级和次级通道，所述初级通道包括用于启动和保持所述初级元件中共振的初级驱动器装置，所述次级通道包括用于检测由所述次级元件响应于所述传感器的移动而生成的信号的检测器装置，所述检测装置包括差分放大器和根据所述传感器的移动而生成输出信号的同步检测器，其中所述次级通道还包括用于改善所述次级通道信号中的正交抑制的装置，所述装置包括含有同步检测器、无源和有源滤波器以及抽取器的一系列电路，所述输出信号通过所述系列电路传输并且从而抑制高电平的正交信号。
2.根据权利要求I所述的传感器，其中所述系列电路包括含有同步检测器的第一级。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述同步检测器包括开关，所述开关允许交叉切换以确保精确的同步解调。
4.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器，其中所述系列电路还包括含有无源低通滤波器的第二级，以快速移除解调波形的边缘。
5.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器，其中所述系列电路还包括含有有源低通滤波器的第三级，以进一步减少由于输入波形的解调而产生的纹波。
6.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述系列电路还包括含有抽取器的第四级，以抑制正交信号的剩余分量。
7.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器，其中所述初级元件包括在环上的O度、90度、180度和270度处的敏感元件和驱动转换器，并且所述次级元件包括45度、135度、225度和315度。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中由在环上所述45度和225度元件生成的信号与在135度和315度处的信号反相。
9.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器，其中所述元件是压电式电极。
10.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器，其中被施加到所述次级通道差分放大器的信号分别具有180度的相位差。
11.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器，其中所述初级通道包括接收来自环上的初级敏感元件的信号的同步检测器，该同步检测器的输出反馈给初级驱动，并且通过AGC控制振幅，从而启动所述初级通道的闭环操作。
12.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器，其中所述次级通道以开环方式操作，从而不需要反馈。
13.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器，其中所述初级通道还包括通过VCO控制所述初级通道的频率的锁相环。
14.一种在MEMS角速度传感器的次级通道信号中减少正交抑制的方法，包括以下步骤使用同步检测器检测所述信号；使用无源滤波装置对所述信号进行滤波；使用无源滤波装置对所述信号进行滤波；抽取所述信号以便抑制所述信号的任何剩余的正交分量；以及平衡来自所述有源滤波器的输出的偏移。
15.一种如上所述参考附图的传感器。
全文摘要
描述了一种具有用于提高正交抑制的装置的惯性传感器。所述传感器是环型并被驱动器电路驱动，所述传感器还包括具有相应信号敏感元件的初级和次级部分。所述初级敏感元件信号振幅通过自动增益控制被控制，初级锁相环电路和VCO锁定至谐振频率以提供用于同步检测器的时钟，经由初级移相电路的所述初级敏感元件信号被提供到初级驱动器，所述次级敏感元件信号被输入到能够检测传感器中的运动的检测器电路中。所述次级通道包括一系列电路，当以串联形式可操时，显著地改善所述传感器的正交抑制能力。所述电路包括同步检测器、无源和有源过滤器以及抽取器。
文档编号G01C19/5677GK102947673SQ201180024745
公开日2013年2月27日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月17日
发明者K·汤森德, M·德斯顿 申请人:硅石传感系统有限公司