诸如智能电话、智能手表、平板电脑、汽车、空中无人机、器械、飞行器、锻炼辅助设备和游戏控制器之类的许多物品在其操作期间可以利用运动传感器。在许多应用中，各种类型的运动传感器(诸如加速度计和陀螺仪)可以被独立地或一起分析，以确定用于特定应用的各种信息。例如，陀螺仪和加速度计可以用于游戏应用(例如，智能电话或游戏控制器)以捕获用户的复杂移动，无人机和其它飞行器可以基于陀螺仪测量(例如，滚动、俯仰(pitch)和偏航(yaw))来确定朝向，并且车辆可以利用测量确定方向(例如，用于航位推算)和安全性(例如，识别打滑或翻滚状况)。
诸如加速度计、陀螺仪、压力传感器和麦克风的许多传感器被实现为微机电系统(MEMS)传感器。传感器的微机械组件使用硅制造技术来形成，并且基于具体微机械组件的设计，那些微机械组件响应于由传感器测得的某些外部刺激而做出响应(例如，移动)。可以测量微机械组件对外部刺激做出的响应，例如，通过利用移动的微机械组件作为“移动电极”并测量由移动电极相对于“固定电极”的运动引起的电压变化。基于传感器的设计，该电压变化与要测量的参数(例如，加速度、角速度、压力等)以缩放因子相关。
在MEMS陀螺仪的情况下，某些微机械组件可以具有驱动模式谐振频率并且可以在该频率(即，驱动频率)处被引起振动。许多组件通常通过多个弹簧物理连接，每个弹簧都被设计为能够在某些方向上运动而限制其它方向上的运动。当在驱动频率处振动的质块因为旋转而在与驱动方向垂直的方向上受到科里奥利力时，如果弹簧或其它结构特征件不阻止这种运动，那么质块将在驱动频率处在这个方向(例如，“感测”或“科里奥利”方向)上移动。然后可以基于质块(或者在一些应用中，通过附加弹簧连接的附加检验质块)在感测方向上的运动来感测该运动，例如，基于质块上的移动电极与固定电极之间的电压变化。基于与电压变化相关联的增益来测量旋转。
构成感测振荡器的一个或多个质块可以具有一个或多个感测模式谐振频率和品质因数。陀螺仪的增益可以依赖于测量移动的频率(例如，相对于感测模式谐振频率)和品质因数。如果这些参数与设计参数不匹配(例如，由于制造偏差而引起的)，则陀螺仪的增益可能与预期增益不同，这可能导致测量误差。随着组件随时间磨损或者如果组件损坏，陀螺仪的增益可能会变化。
技术实现要素：
在示例性实施例中，一种用于测试陀螺仪的感测振荡器的频率响应的方法可以包括：在驱动频率处驱动陀螺仪的驱动振荡器；与驱动该驱动振荡器同时，在第一测试频率处驱动感测振荡器；以及与驱动该驱动振荡器同时，在第二测试频率处驱动感测振荡器，其中，第一测试频率不同于驱动频率，并且其中，第二测试频率不同于驱动频率和第一测试频率。在实施例中，该方法还可以包括：测量感测振荡器在第一测试频率处的第一测试响应；测量感测振荡器在第二测试频率处的第二测试响应；基于第一测试响应和第二测试响应，确定感测振荡器的频率响应的变化；以及基于频率响应的变化，修改陀螺仪的一个或多个操作参数。
在示例性实施例中，一种陀螺仪包括：驱动振荡器；一个或多个驱动电极，用于在驱动频率处驱动该驱动振荡器；以及感测振荡器，其中，在第一测试频率和第二测试频率处驱动感测振荡器，其中，第一测试频率不同于驱动频率，其中，第二测试频率不同于驱动频率和第一测试频率，并且其中，与在驱动频率处驱动该驱动振荡器同时，在第一测试频率和第二测试频率处驱动感测振荡器。在实施例中，陀螺仪还包括一个或多个感测电极，用于响应于感测振荡器在第一测试频率处的振荡来提供第一测试响应信号，并且响应于感测振荡器在第二测试频率处的振荡来提供第二测试响应信号。在实施例中，陀螺仪还包括处理电路系统，配置为基于第一测试响应信号和第二测试响应信号来确定感测振荡器的频率响应的变化，并且基于频率响应的变化来修改陀螺仪的一个或多个操作参数。
附图说明
考虑以下结合附图的详细描述，本公开的上述和其它特征、其性质和各种优点将变得更加清楚，其中：
图1描绘了根据本公开的一些实施例的说明性运动处理系统；
图2描绘了根据本公开的一些实施例的示例性陀螺仪设计；
图3描绘了根据本公开的一些实施例的具有特定感测模式谐振频率的陀螺仪的感测振荡器的示例性频率响应；
图4描绘了根据本公开的一些实施例的图3的感测振荡器的示例性增益变化；
图5描绘了根据本公开的一些实施例的图3的感测振荡器的示例性频率偏移；
图6描绘了根据本公开的一些实施例的频率响应测试的示例性步骤；
图7描绘了根据本公开的一些实施例的频率响应自测试的示例性步骤；以及
图8描绘了根据本公开的一些实施例的频率响应补偿的示例性步骤。
具体实施方式
MEMS陀螺仪可以被设计为具有驱动模式谐振频率和感测模式谐振频率。MEMS陀螺仪的一个或多个质块在驱动模式谐振频率处被驱动，并且基于互连不同质块的弹簧的设计和布置，MEMS陀螺仪的一个或多个感测振荡器(例如，感测质块、检验质块、科里奥利质块或其任何合适的组合)可以响应于由陀螺仪的旋转引起的科里奥利力而在感测方向上移动。可以基于感测质块的移动电极相对于固定电极的移动来确定陀螺仪旋转的角速度，这可以在驱动频率处进行测量。
在实施例中，感测振荡器也在多个测试频率(例如，两个测试频率)处振动，例如通过附接至感测振荡器的附加辅助电极。测试频率与驱动频率和感测模式谐振频率不同。测试频率彼此也不同。可以在测试频率处通过感测电极(移动和固定电极)或通过附加感测电极来测量由于测试频率而引起的感测振荡器的频率响应。
可以将感测振荡器对测试频率的频率响应与基线值、阈值和/或先前值进行比较，以便确定感测振荡器的频率响应是否已在任一测试频率处改变。如果在测试频率处频率响应已发生变化，则这可能表示感测模式谐振频率已改变，增益已改变，或者两者都已改变。基于在每个测试频率处经历的频率响应的相对变化的比较，可以能够区分不同类型的变化。可以进一步将结果与各种阈值进行比较，以便确定陀螺仪是否已故障或者是否能够补偿陀螺仪的频率响应的任何变化。
图1描绘了根据本公开的一些实施例的示例性运动处理系统10。尽管图1描绘了具体组件，但是将理解，对于不同的应用和系统，可以根据需要使用传感器、处理组件、存储器和其它电路系统的任何合适的组合。在本文描述的实施例中，运动处理系统可以至少包括MEMS陀螺仪12和支持电路系统，诸如处理电路系统14和存储器16。在一些实施例中，一个或多个附加传感器18(例如，附加MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS麦克风、MEMS压力传感器和罗盘)可以包括在运动处理系统10内，以提供集成运动处理单元(“MPU”)(例如，包括3轴MEMS陀螺仪感测、3轴MEMS加速度计感测、麦克风、压力传感器和罗盘)。
处理电路系统14可以包括基于运动处理系统10的要求提供必要处理的一个或多个组件。在一些实施例中，处理电路系统14可以包括可以集成在诸如陀螺仪12的传感器的芯片内(例如，位于MEMS陀螺仪的衬底上或盖上，或与陀螺仪相邻的芯片的部分上)的硬件控制逻辑，以控制陀螺仪12的操作并执行陀螺仪12的处理的各方面。在一些实施例中，陀螺仪12可以包括一个或多个寄存器，其允许(例如，通过修改寄存器的值)修改硬件控制逻辑的操作的各方面(例如，驱动幅度、测试频率、应用于测量信号的增益因子等)。其它传感器18可以以类似的方式操作。在一些实施例中，处理电路系统14可以包括执行例如存储在存储器16中的软件指令的处理器，诸如微处理器。微处理器可以通过与硬件控制逻辑交互来控制陀螺仪12的操作并且处理从陀螺仪12接收的测量信号。微处理器可以以类似的方式与其它传感器交互。
尽管在一些实施例(图1中未示出)中，陀螺仪12或其它传感器18可以与外部电路系统直接通信(例如，经由与传感器输出和控制输入的直接连接或串行总线)，但是在实施例中，处理电路系统14可以处理从陀螺仪12和其它传感器18接收的数据，并且经由通信接口20(例如，SPI或I2C总线，或者在汽车应用中，经由控制器区域网络(CAN)或本地互连网络(LIN)总线)与外部组件进行通信。处理电路系统14可以将从陀螺仪12和其它传感器18接收到的信号转换为适当的测量结果单元(例如，基于由通过通信总线20进行通信的其它计算单元提供的设定)并且执行更复杂的处理以确定诸如取向或欧拉角的测量结果，并且在一些实施例中，根据传感器数据确定是否正在发生具体活动(例如，行走、跑步、制动、打滑、滚动等)。
在一些实施例中，在可以称为传感器融合(fusion)的过程中，可以基于来自多个陀螺仪12和传感器18的数据来确定某些种类型的信息。通过组合来自各种传感器的信息，可以能够准确地确定在各种应用(诸如图像稳定、导航系统、汽车控制和安全、航位推算、远程控制和游戏设备、活动传感器、三维相机、工业自动化以及众多其它应用)中有用的信息。
MEMS陀螺仪通常可以具有用于测量围绕轴的旋转(例如，俯仰、滚动和/或偏航)的多个微机械组件。通常通过诸如驱动电极或驱动梳的静电驱动系统来使微机械组件中的一个或多个在驱动频率处振动。使组件(例如，诸如驱动质块的驱动振荡器)以驱动频率在驱动方向上振动。该驱动频率对应于驱动振荡器的驱动模式谐振频率。尽管可以能够测量来自驱动振荡器的旋转，但在许多陀螺仪中，感测振荡器(例如，科里奥利质块、检验质块、感测质块等)通过弹簧耦接至驱动振荡器，这通常基于弹簧的设计和布置来限制质块在某些方向上的运动的自由。
在驱动方向上振动的质块(例如，科里奥利质块或感测振荡器的感测质块)可能由于陀螺仪围绕轴的旋转而经受力。该科里奥利力在与驱动方向和陀螺仪旋转所围绕的轴两者垂直的方向(即，感测方向)上施加在质块上。当经受科里奥利力的质块(例如，感测振荡器的感测质块)在感测方向上自由移动时(例如，基于感测振荡器的配置)，该质块将以驱动频率在感测方向上振荡。由于科里奥利力而引起的在感测方向上的频率响应可以基于感测传递功能。感测传递功能可以基于具体陀螺仪的设计，并且可以与陀螺仪设计的感测模式谐振频率和品质因数相关联。基于感测模式谐振频率和品质因数，增益曲线可以描绘陀螺仪设计在不同频率处经历的增益。在一些实施例中，驱动频率和测试频率可以被选择以对应于增益曲线的增益可预测还足够高从而易于测量的位置。
在一些实施例中，可以选择测试频率和驱动频率以使得它们在相似的增益范围内，使得针对特定感测模式谐振频率的驱动频率和每个测试频率之间的预期增益差在具体应用的可接受范围内。在实施例中，对于测试频率，每个测试频率处的预期增益可以在驱动频率处的增益的75％以内(例如，对于驱动频率处的增益10，两个测试频率将具有至少2.5或小于17.5的增益)，以提供相对于驱动频率处的增益有用的测量结果。然而，在许多实施例中，可以选择测试频率以实现诸如50％、33％、25％、10％或5％的更小增益差。在一些实施例中，可以考虑其它因素，诸如感测振荡器在测试频率处的驱动会彼此干扰或干扰对驱动频率的感测响应的可能性。除了优化增益之外，可能期望考虑测试频率与感测模式谐振频率、驱动频率以及彼此之间是否至少具有最小的频率差。在一些实施例中，测试频率的范围可以提供期望的相对增益特性，而不会影响驱动频率处的感测测量结果，如本文所述。
在实施例中，可以选择每个测试频率，使得它们位于增益曲线上的接近感测模式谐振频率但不足够近以达到与感测模式谐振频率相关联的增益曲线的高增益部分的位置。尽管驱动模式谐振频率和感测模式谐振频率可以根据本公开以任何合适的方式配置(例如，分离模式、模式匹配等)，但是在如本文所述的实施例中，陀螺仪可以用作具有不同的感测模式谐振频率和驱动模式谐振频率的分离模式陀螺仪。
尽管根据本公开可以使用任何合适数量的测试频率，但在实施例中，两个测试频率可以允许识别不同的错误和故障模式，例如由于频率偏移、增益改变或两者而引起的。然而，将理解，在一些实施例中，可以使用一个测试频率来识别频率响应的变化，并且可以以可以允许区分不同的错误或故障模式的方式优化其功能(例如，在不同时间处改变测试频率并比较结果)。此外，可以利用附加测试频率(例如，三个或更多)来确定关于频率响应的任何改变的附加信息。
在实施例中，如本文所述，测试频率可以位于感测模式谐振频率的与驱动频率相对的一侧。换言之，如果驱动频率大于感测模式谐振频率，则测试频率将小于感测模式谐振频率，反之亦然。然而，将理解，在一些实施例中，测试频率中的一个或多个可以位于感测模式谐振频率的与驱动频率相同的一侧。换言之，如果驱动频率大于感测模式谐振频率，则测试频率中的一个或多个也可以大于感测模式谐振频率，反之亦然。在任何情况下，在一些实施例中，测试频率可以位于与驱动频率和感测模式谐振频率足够不同的频率处，这是防止对在驱动频率处的感测的干扰所必需的。在实施例中，将测试频率定位在感测模式谐振频率的与驱动频率相对的一侧可以限制不期望的干扰。
在许多MEMS陀螺仪中，基于感测振荡器(例如，感测质块)的移动来测量幅度和角速度。在驱动频率处，基于感测质块的移动电极与固定感测电极之间的相对距离来测量该运动。在一些实施例中，感测电极可以附接至感测质块下面的平行衬底(例如，作为感测板)或锚定至衬底并位于感测质块的平面中(例如，作为感测板或感测梳)。感测质块和相对的感测电极有效地形成电容器，电容器的电压基于感测质块和感测电极之间的距离而变化。电压变化的大小基于科里奥利力的大小而变化，并且用于(例如，通过处理电路系统14的处理)确定幅度和角速度。
陀螺仪的实际频率响应可能并不总是与陀螺仪的设计频率响应匹配。制造过程中的缺陷可能导致陀螺仪的频率响应(例如，感测模式谐振频率、品质因数和/或增益曲线)的改变。在一些情况下，陀螺仪可能在操作期间随时间经历一定程度的磨损，或者一个或多个组件(例如，弹簧)可能被损坏。这种磨损或损坏可能类似地改变陀螺仪的感测模式谐振频率响应。
陀螺仪的频率响应可以以各种方式不同于设计频率响应。在一些情况下，频率响应的感测模式谐振频率可能偏移，使得频率响应的中心频率不同。在其它情况下，感测模式谐振频率可以保持不变，但与频率响应相关联的增益可能改变。在再一些其它情况下，频率响应的品质因数可能改变，使得增益曲线的形状(例如，斜率)被改变。在再一些其它情况下，频率响应的多个这些变化可能同时发生。这些变化或其组合中的任何变化都可能改变所测量的幅度和角速度的准确度。
如本文所述，在实施例中，可以在与驱动频率和感测模式谐振频率两者不同的一个或多个测试频率处驱动陀螺仪的感测振荡器(例如，感测质块)。可以测量感测振荡器在这些测试频率处的响应，并且处理电路系统(例如，处理电路系统14)可以基于那些测量结果确定频率响应是否不合适或者已经改变。在一些实施例中，该确定可以基于对测试频率处的响应的幅度的测量和比较来执行。如果识别出感测模式谐振频率的问题，则可以进一步确定是否能够补偿被改变的感测模式谐振频率响应，或者是否应该将陀螺仪识别为故障。在一些实施例中，诸如驱动力的大小、(例如来自感测电极的)补偿感测力、(例如，用于来自感测电极的测量值的)缩放因子、放大器增益(例如，基于到硬件控制逻辑的输入，并且被施加到感测电极的输出)、感测电极间隙、任何其它合适的因素或其任何组合可以被修改以便基于测试频率处的测量结果来补偿陀螺仪的操作。
图2描绘了根据本公开的可以使用的示例性陀螺仪设计。尽管为了说明的目的在本文中描绘和描述了具体陀螺仪设计，但是将理解，本公开中描述的系统和方法可以与各种陀螺仪设计一起使用，例如，只要能够在一个或多个测试频率处驱动陀螺仪的感测振荡器并测量那些测试频率处的感测响应即可。因此，将理解，本文提供的讨论对于陀螺仪设计是通用的，并且提供具体设计仅用于说明目的。
示例性陀螺仪100部署在与衬底101平行的X-Y平面中。Z方向垂直于X-Y平面，并且衬底101在z方向上位于陀螺仪100下方。陀螺仪100包括引导臂104a和104b，引导臂104a和104b通过弹簧108a和108b经由至少一个锚定点106a柔性耦接至衬底101。两个引导臂104a和104b经由弹簧103a和103b柔性耦接至俯仰感测质块102。在实施例中，俯仰感测质块102可以用作驱动振荡器和感测振荡器两者。俯仰感测质块102进而经由弹簧120a、120b、120c和120d耦接至另一感测振荡器，诸如偏航感测质块112。
俯仰感测质块102、引导臂104a和104b、锚定点106a以及弹簧103a、103b、108a和108b形成平面四连杆机构。每个弹簧103a、103b、108a和108b围绕Z方向上的轴在平面内是顺从(compliant)的，使得每个引导臂104a和104b可以在感测质块102在X方向上平移时在面内旋转，例如，响应于由围绕Y轴的俯仰旋转引起的Z方向上的科里奥利力。
弹簧108a和108b围绕在X方向上的俯仰感测轴是顺从的，使得引导臂104a和104b可以旋转到平面外。弹簧103a和103b在Z方向上是刚性的，由此引导臂104a和104b的旋转到平面外使俯仰感测质块102随引导臂104a和104b移动到平面外。
诸如梳状驱动器111a和111b的静电致动器连接至锚定件109a和109b，并连接至俯仰感测质块102。梳状驱动器111a和111b在X方向上沿X轴共同驱动俯仰感测质块102。在该实施例中，使用两个静电致动器。然而，本领域普通技术人员容易认识到，可以设置一个静电致动器，并且一个静电致动器的使用将在本发明的精神和范围内，并且附加静电致动器可以位于附接至俯仰感测质块102的各种位置处。此外，尽管未在图2的示例性实施例中绘出，在实施例中，一个或多个驱动质块可以耦接至俯仰感测质块102，使得驱动质块由梳状驱动器111a和111b驱动，并且驱动运动通过耦接在驱动质块和俯仰感测质块102之间并且在X方向上为刚性的附加弹簧(图2中未示出)施加于俯仰感测质块102上。
另外，尽管在整个说明书中将静电致动器描述为用于驱动被引导的质块系统的致动器，但本领域普通技术人员认识到，可以使用各种致动器来用于该功能，并且这种使用在本发明的精神和范围内。例如，致动器可以是压电致动器、热致动器或电磁致动器等。
在实施例中，可以通过耦接至致动器109a和109b的一个或多个驱动电路在驱动振荡器的驱动模式谐振频率处驱动俯仰感测质块100。在如本文所述的实施例中，驱动频率可以是位于相对于陀螺仪100的感测模式谐振频率的合适频率差处同时保持足够的增益的频率。在示例性实施例中，频率差可以是感测模式谐振频率的至少3％，并且在一些实施例中，可以在感测模式谐振频率的7％至15％的范围内。应当理解，其它最小差或差的范围可以应用于不同的陀螺仪设计和应用。在实施例中，驱动频率和感测模式谐振频率之间的差的选择可以基于期望的增益和分辨率范围，其中，当驱动频率更接近感测模式谐振频率时，驱动频率处的增益增大，并且当驱动频率更远离感测模式谐振频率时，分辨率增大。
当驱动陀螺仪100时，引导臂104a和104b在平面内旋转并且俯仰感测质块102在X方向上在平面内平移。围绕沿在衬底平面内并与X方向正交的Y方向的俯仰输入轴的角速度将使科里奥利力在Z方向上作用于俯仰感测质块102。科里奥利力使陀螺仪俯仰感测质块102以及引导臂104a和104b围绕俯仰感测轴旋转到平面外。陀螺仪100的旋转幅度与围绕俯仰输入轴的角速度成比例。俯仰换能器110可以感测感测质块的移动，并且可以是任何合适的俯仰换能器110，诸如电容换能器、压电换能器或光换能器等。在实施例中，基于由于俯仰感测质块102(例如，包括移动电极或用作移动电极)和感测电极110之间的距离变化而引起的电容变化，使用俯仰感测质块102下方的感测电极110来检测陀螺仪100围绕俯仰感测轴的旋转。这种电容变化提供对围绕俯仰输入轴的角速度的测量。
陀螺仪100还包括偏航感测振荡器，诸如偏航感测质块112，其对围绕Z轴的旋转做出响应。在实施例中，偏航感测质块112可以通过弹簧120a、120b、120c和120d耦接至俯仰感测质块102。尽管在图2中绘出了四个弹簧120a至120d，将理解，根据本公开，任何合适数量的弹簧都可以将驱动力传递至偏航感测质块112。在实施例中，弹簧120a至120d可以配置为在驱动方向(即，X方向)上是刚性的并且在感测方向(即，Y方向)上是柔性的。此外，将理解，在一些实施例中(图2中未示出)，偏航振荡器可以实现为多个质块，诸如耦接以从俯仰感测质块102接收驱动力的科里奥利质块以及通过附加弹簧连接至科里奥利质块的附加检验质块，该附加弹簧在由于偏航旋转而施加在科里奥利质块上的科里奥利力的方向上(例如，在Y方向上)是刚性的。
如本文所述，驱动梳111a和111b使俯仰感测质块102在X方向上振动。该X方向振动通过在X方向上为刚性的弹簧120a至120d传递至偏航感测质块112。当陀螺仪100围绕Z轴旋转时，这将产生引起驱动频率处的Y轴振荡的作用在偏航感测质块112上的Y轴科里奥利力。因为弹簧120a至120d在Y方向上是柔性的，所以偏航感测质块112将在Y方向上以与科里奥利力成比例并且因此与角速度成比例的幅度振荡。偏航换能器114可以感测感测质块的移动，并且可以是任何合适的偏航换能器110，诸如电容换能器、压电换能器或光换能器等。在实施例中，感测电极114可以是与偏航感测质块112位于平面中(例如，经由锚定件115锚定至衬底并且电连接至感测电路)的平板电极(尽管在一些实施例中，针对感测电极114，可以使用诸如梳状电极的不同电极)，以基于由于偏航感测质块112(例如，包括移动电极或用作移动电极)和感测电极114之间的距离变化而引起的电容变化来检测陀螺仪100围绕偏航感测轴的旋转。在一些实施例中(图2中未示出)，感测电极114可以位于偏航感测质块112的内部腔体内。不管感测电极114如何实施和布置，由于感测电极114和偏航感测质块112之间的相对运动引起的电容变化提供对围绕偏航输入轴的角速度的测量。
在实施例中，偏航感测质块112可以配置为由一个或多个测试信号驱动。虽然对于图2的示例性实施例中的俯仰感测质块102没有绘出，但是将理解，测试信号可以类似地施加在俯仰感测质块102上(例如，基于位于俯仰感测质块102上方或下方的辅助电极)。可以在偏航感测质块112上施加一个或多个测试信号，以便使偏航感测质块112在一个或多个测试频率处振动。尽管可以在任何合适的频率处将任何合适数量的测试信号施加在偏航感测质块112上，但是在实施例中，可以在感测模式谐振频率的相对于驱动频率的另一侧上的频率处将两个测试信号施加在感测质块上。尽管测试频率可以相对于感测模式谐振频率位于任何合适的频率处，但是在实施例中，两个测试频率都可以比感测模式谐振频率大或小至少2％，并且在一些实施例中，比感测模式谐振频率大或小至少4％。尽管测试频率可以相对于彼此位于任何合适的频率处，但是在实施例中，测试频率之间的频率差可以在感测模式谐振频率的1％至10％之间，并且在一些实施例中，在感测模式谐振频率的2％至6％之间。如本文所述，测试模式频率的适当频率可以基于诸如相对于驱动频率处的增益的适当增益以及对感测质块在驱动频率处的响应不干扰的因素来选择，并且因此可以具有基于具体陀螺仪设计及其预期频率响应的各种值。
在一些实施例中(图2中未示出)，测试信号可以通过感测电极114施加在偏航感测质块112上。可以在功能上复用感测电极114，使得其在提供测试信号、测量测试响应和测量科里奥利力之间主动切换。除了被设计为接收和处理科里奥利力和测试响应的感测电路系统之外，感测电极还可以包括驱动电路系统来提供将测试信号施加在偏航感测质块112上所需的电压。在实施例中，辅助致动器132a至132d可以在偏航感测质块112上施加测试信号。尽管辅助致动器132a至132d可以利用在偏航感测质块112上施加测试信号的任何合适的方法(例如，压电、热、电磁等)，但是在实施例中，辅助致动器132a至132d可以是位于偏航感测质块112的平面中和周边上的静电梳状致动器。在其它实施例中，辅助致动器132a至132d可以位于其它合适的位置，诸如位于偏航感测质量112的内部腔体内。
在实施例中，梳状辅助致动器132a至132d可以经由相应锚定件130a至130d锚定至衬底，并且连接至驱动和/或感测电路系统。尽管在图2中绘出四个致动器来提供两个测试信号，但是在不同的实施例中，可以利用任何合适数量的致动器来提供任何合适数量的测试信号。例如，可以提供比测试信号的数量更少数量的致动器，并且可以以复用方式提供测试信号。在一些实施例中，不是感测感测电极114上的测试响应，而是可以以专用或复用方式(例如，与测试信号的激励和/或对其它测试响应的测量复用)将梳状电极132a至132d中的一个或多个用作测试响应的感测梳。
沿Y轴施加并感测通过梳状辅助致动器132a至132d施加至偏航感测质块112的力，这由于弹簧120a至120d在Y轴上为柔性而被允许。如本文所述，陀螺仪的一个或多个组件(诸如，驱动电极111a或111b或弹簧103a、103b、108a、108b、120a、120b、120c和120d中的任何弹簧)可能随时间磨损或变为损坏，从而有可能导致变偏航感测质块112的预期频率响应的改变。如本文所述，辅助致动器132a至132d(或在一些实施例中，感测电极114)可以提供测试信号以在测试频率处驱动偏航感测质块112，可以通过感测电极114或辅助致动器132a至132d针对每个测试频率测量测试响应。测试响应可以由陀螺仪100的电路系统来处理，并且在一些实施例中，由处理电路系统12来处理。基于对测试响应的分析，可以确定陀螺仪100是否已故障或者是否能够补偿陀螺仪表现中的任何变化。如果能够补偿，则可以修改陀螺仪100的一个或多个操作参数，诸如由梳状电极111a和111b提供的驱动信号的幅度、模拟感测电路系统(例如，陀螺仪114的感测电路的一个或多个放大器)的操作或(例如，在陀螺仪100或处理电路14处的)一个或多个数字缩放因子。
在一些实施例中，可以在各种时间处(例如，在制造期间)测试诸如陀螺仪100的陀螺仪，以便为陀螺仪的操作设定参数。作为这种测试的结果，可以修改测试信号的操作参数(例如，频率、大小等)。在制造测试的实施例中，可以基于诸如测量的感测模式谐振频率或增益的因素以及基于其它参数的配置(例如，驱动信号的幅度)来修改频率和幅度。
图3至图5绘出了根据本公开的一些实施例的陀螺仪的示例性感测振荡器的示例性频率响应。尽管针对具有为24kHz的设计感测模式谐振频率和为600的品质因数的示例性陀螺仪描绘了频率响应，但是将理解，其它陀螺仪设计将具有不同的感测模式谐振频率和频率响应，但可以作为陀螺仪操作中的故障或变化的结果而以类似的方式做出响应(例如，感测模式谐振频率和增益的变化)。
图3绘出了根据本公开的一些实施例的陀螺仪的示例性感测振荡器的示例性频率响应。在具有图3所描绘的特征的示例性感测振荡器中，示例性感测模式谐振频率为24kHz，并且示例性品质因数为600，但是根据本公开，将理解，本公开可以应用于具有不同感测模式谐振频率、品质因数和增益的其它陀螺仪设计。图3中描绘的图的横坐标以千赫兹为单位，而纵坐标为标准化的增益值。
如图3所示，用于陀螺仪设计的感测模式谐振频率FSM可以为24kHz。在该感测模式谐振频率处或附近(例如，对于图3的具体感测振荡器，在加或减1kHz至1.5kHz的范围内)，基于该频率范围上的频率响应的高斜率，增益可能相对不稳定或难以缩放。将理解，其它范围可以应用于其它陀螺仪设计。因此，可期望的是使驱动和测试频率位于频率响应的不同位置。虽然驱动频率FD可以如本文所述位于任何合适的频率处，但在实施例中，驱动频率可以为27kHz，例如，比感测模式谐振频率高3kHz，或比感测模式谐振频率高12.5％。在实施例中，驱动频率FD可以对应于陀螺仪的驱动模式谐振频率。驱动频率可以用于驱动陀螺仪并感测科里奥利力，并且驱动频率的操作参数(诸如，驱动力幅度、缩放因子(例如，数字缩放)和增益值(例如，用于放大器的))可以基于陀螺仪在驱动频率处的增益如图3所示(例如，在图3中所示的标准化尺度上约为5)的假设。
如本文所述，也可以将一个或多个(例如，两个)测试信号施加至陀螺仪(例如，陀螺仪的感测振荡器)，并且可以测量感测振荡器对测试信号的响应。虽然测试频率FT1,T2可以如本文所述相对于感测模式谐振频率FSM位于任何合适的频率处，但是在实施例中，最接近的测试频率FT1可以为22kHz，例如比感测模式谐振频率FSM小2kHz或比感测模式谐振频率FSM小8.2％。以这种方式，测试频率FT1,T2可以位于频率响应曲线上的合适位置以连续地测量增益，并且可以位于感测模式谐振频率的与驱动频率的相对侧以避免干扰驱动频率。
在实施例中，两个测试信号可以在两个不同的频率处施加至感测振荡器(例如，陀螺仪的感测质块)。尽管可以如本文所述以任何合适的方式选择测试信号的频率，但是在实施例中，测试信号频率FT1和FT2可以相对于彼此以合适的频率间隔定位，使得在正常条件下它们基本处于增益曲线上的不同位置，同时保持在驱动频率处的增益的期望范围内。如图3所示，在示例性实施例中，第一测试信号频率FT1可以为21.5kHz，并且可以与约为6的标准化增益相关联，而第二测试信号频率FT2可以为22kHz，并且可以与约为8的标准化增益相关联。在图3的示例性实施例中，这可能导致第一测试频率FT1与驱动频率FD之间的为1的增益差，以及第二测试频率FT2与驱动频率FD之间的为3的增益差。然而，将理解，图3中提供的测试频率值仅是示例性的，并且可以以本文所述的任何合适的方式相对于驱动频率选择其它测试频率来优化增益。
如针对图4和图5所述，陀螺仪的频率响应的不同变化可能导致两个测试频率处的增益的不同相对变化。在实施例中，可以确定所测量的感测质块在测试频率FT1和FT2中的每一个测试频率处对测试信号的响应(例如，由一个或多个感测电极感测到的电压变化)的基线幅度，该测量幅度与图3所示的标准化增益成比例。
图4绘出了根据本公开的一些实施例的示例性增益变化。图4的纵坐标和横坐标的单位与图3中所述的相同(以千赫兹为单位的频率和标准化增益)，并且驱动频率FD、感测模式谐振频率FSM、第一测试频率FT1和第二测试频率FT2全部位于与图3中所述的相同的频率处。图4中的实线描绘如图3所示的陀螺仪的原始频率响应。图4中的虚线描绘例如由于陀螺仪的一个或多个组件的随时间的磨损而引起的变化的频率响应。
如在图4中可以看到，作为陀螺仪的频率响应变化的结果，驱动频率处的增益可以改变(例如，增大)。在一些实施例中，这样的增益变化可能太大以至于可能导致测量角速度失败。例如，增益的大幅增大可能导致感测电路系统饱和，从而不能感测特定期望范围的角速度。类似地，增益的大幅下降可能导致感测电路系统的分辨率不足，从而不能准确地感测角速度的期望变化。在一些实施例中，即使增益的变化不会导致陀螺仪不能测量角速度，该增益变化也可以修改用于角速度的接收到的值，例如，基于感测到的电压变化(与增益成比例)和角速度值之间的预期的关联。增益的增大或减小可能导致与不再准确地对应于陀螺仪的频率响应的增益的阈值的不正确比较值。
因为驱动频率处的感测电压基于外力(例如，由于陀螺仪的旋转引起的角速度，其导致在驱动频率处在感测方向上的科里奥利力)而变化，所以可能无法基于驱动频率处的测量结果确定是否出现增益变化。如果在驱动频率处感测电压没有大的和剧烈的变化(例如，由于陀螺仪的灾难性故障)，则增益将不太可能以与陀螺仪在正常操作条件下的旋转的正常变化可区分的方式改变。
可以以多种方式将测试信号施加至陀螺仪(例如，陀螺仪的感测振荡器)，以便识别陀螺仪的频率响应变化。在实施例中，每个测试信号可以具有固定幅度，使得增益幅度的变化可以被认为是由于陀螺仪的频率响应变化而引起的。在一些实施例中，可以以可以随时间被比较的多个固定幅度来提供每个测试频率。无论如何，通过以固定幅度提供测试信号，可以基于增益的变化(例如，基于在测试频率处在(一个或多个)感测电极处测量到的电压变化)来准确地确定频率响应的变化。
在图4的实施例中，可以在每个测试频率处感测到类似的增益变化。这可以表示增益改变，但是陀螺仪的感测模式谐振频率还没有改变。该增益变化可以与一个或多个阈值进行比较，以确定是否有必要如本文所述的补偿频率响应的变化，或者确定陀螺仪是否故障并且不应再使用。
图5绘出了根据本公开的一些实施例的示例性感测模式谐振频率变化。图5的纵坐标和横坐标使用与图3中所述的相同的单位(以千赫兹为单位的频率和标准化增益)，并且驱动频率FD、第一测试频率FT1和第二测试频率FT2全部位于与图3中所述的相同的频率处。在图5中，感测模式谐振频率已从约24kHz(FSM-A)变为24.5kHz(FSM-B)。图5中的实线描绘如图3所示的陀螺仪的原始频率响应。图5中的虚线描绘例如由于陀螺仪的一个或多个组件的随时间的磨损而引起的变化的频率响应。
如从图5中可以看出，作为陀螺仪的频率响应变化的结果，驱动频率处的增益可能改变(例如，增大)。如关于图4所述，这样的增益变化可能太大以至于可能导致测量角速度失败，可能修改用于角速度的接收到的值，并且可能导致阈值的有效变化。此外，基于驱动频率处的测量结果，可能不能确定是否已出现频率响应变化。也可能不能够区分增益变化(例如，如图4所示)和感测模式谐振频率的变化(例如，如图5所示)。例如，在测量的驱动频率FD处的频率响应的变化在图4和图5中大致相同。
如图4所示，测试信号可以施加至陀螺仪，以便识别陀螺仪的频率响应的变化。在图5的实施例中，可以在每个测试频率处感测到不同的增益变化。例如，第一测试频率FT1处的增益变化可以小于第二测试频率FT2处的增益变化。因为在两个测试频率处感测到的增益变化不近似成比例(例如，一个增益变化比其它增益变化超出的比阈值多)，所以这可以表示陀螺仪的感测模式谐振频率已改变。此外，可以使用增益的符号的改变(正或负)以及两个测试频率处的增益变化之间的相对差来大致确定感测模式谐振频率已经偏移多远。该估计频率偏移可以与一个或多个阈值进行比较，以确定是否有必要如本文所述补偿频率响应的变化，或者确定陀螺仪是否已故障并且不应再使用。
图6至图8绘出了根据本公开的一些实施例的用于频率响应测试、故障检测和补偿的示例性步骤。尽管在本公开的背景下(例如，如图3至图5所示的运动处理系统10、陀螺仪100和具有频率响应的陀螺仪)描述了图6至图8，但是将理解，图6至图8中描述的方法和步骤可以应用于任何合适的陀螺仪设计。尽管在图6至图8中示出具体顺序和步骤流程，但是将理解，在一些实施例中，可以修改、移动、移除或添加步骤中的一个或多个，并且可以修改图6至图8所示的流程。
图6描绘了根据本公开的一些实施例的频率响应测试的示例性步骤。
在步骤602中，可以获取测试频率以用于如本文所述的测试频率响应。在示例性实施例中，所设计的用于陀螺仪的感测模式谐振频率可以位于诸如约24kHz的频率处。尽管可以提供任何合适数量的测试频率，但是在示例性实施例中，可以使用22kHz和21.5kHz的两个测试频率。在一些实施例中，可以例如基于处理电路系统中的可修改值或陀螺仪芯片的寄存器设定来修改测试频率和幅度。然后，处理可以继续到步骤604。
在步骤604处，可以确定是否已经为感测振荡器建立基线响应。在一些实施例中，可以在各种时间处设定基线响应，诸如在制造期间的最终测试期间、在操作期间周期性地、在每次陀螺仪接收到电力时或在其它合适的时间处。该基线可以表示未来的测试结果被测量对照的增益。如果尚未建立适当的基线，则处理可以继续到步骤606。如果基线已经建立，则处理可以继续到步骤608。
在步骤606处，可以在每个测试频率处为陀螺仪确定基线。可以利用具有预定幅度(或者在一些实施例中，多个预定幅度)的测试信号在测试频率(例如，21.5kHz和22kHz)处驱动感测振荡器(例如，感测振荡器的任何感测质块)。可以测量增益(例如，基于感测质块的感测电极的测量结果)并存储在存储器(例如，陀螺仪芯片或处理电路系统的存储器)中。然后，处理可以继续到步骤608。
在步骤608处，陀螺仪可以以其正常方式操作，例如通过在驱动频率(例如，27kHz)处提供驱动信号来驱动陀螺仪的一个或多个质块(例如，驱动质块、科里奥利质块和/或感测质块)。当陀螺仪围绕轴旋转时，可以在驱动频率处(例如，通过与感测质块相邻(例如，在感测质块的腔体旁边或内部)的感测电极)感测与驱动方向和旋转轴垂直的科里奥利力。感测电路系统可以处理要提供给外部电路系统和设备(例如，运动处理系统的处理电路系统)的信号，并且可以将结果与阈值进行比较、与其它数据融合以及以其它方式用于本文所述的各种应用。然后，处理可以继续到步骤610。
在步骤610至616处，测试信号被施加至感测振荡器(例如，通过用于驱动陀螺仪的感测质块的辅助致动器的驱动梳)并且被测量(例如，通过一个或多个共享或专用感测电极)。尽管这些步骤被描述为以顺序方式进行，但是将理解，可以在测试频率处同时或以任何合适的顺序或次序驱动陀螺仪。
在步骤610处，可以通过辅助驱动电路系统和辅助致动器(例如，分别附接至感测质块和锚定件的驱动梳)在第一测试频率(例如，21.5kHz)处驱动感测振荡器(例如，陀螺仪的感测质块)。这可以使感测振荡器的组件(例如，感测质块)以第一测试频率振动，其中，振动程度基于陀螺仪的增益而变化。然后，处理可以继续到步骤612。
在步骤612处，可以通过感测电极(例如，在平面中并且与感测质块相邻的感测电极板)在第一测试频率(例如，21.5kHz)处测量感测振荡器(例如，陀螺仪的感测质块)的响应。所得到的信号可以被提供给感测电路系统，其可以处理该信号并且提供与第一频率的基线信号以相同的方式缩放的幅度值。然后，处理可以继续到步骤614。
在步骤614处，可以通过驱动电路系统和辅助致动器(例如，分别附接至感测质块和锚定件的驱动梳)在第二测试频率(例如，22kHz)处驱动感测振荡器(例如，陀螺仪的感测质块)。这可以使组件(例如，感测质块)以第二测试频率振动，其中，振动程度基于陀螺仪的增益而变化。然后，处理可以继续到步骤616。
在步骤616处，可以通过感测电极(例如，在平面中并且与感测质块相邻(例如，在感测质块的腔体旁边或内部)的感测电极板)在第二测试频率(例如，22kHz)处测量感测振荡器(例如，陀螺仪的感测质块)的响应。所得到的信号可以被提供给感测电路系统，其可以处理该信号并且提供与第一频率的基线信号以相同的方式缩放的幅度值。然后，处理可以继续到图7中的步骤。
图7绘出了根据本公开的一些实施例的频率自测试的示例性步骤。尽管可以以任何合适的方式执行自测试，但是在实施例中，可以比较来自测试频率的结果以确定是否执行增益改变或频率偏移测试。每个测试可以具有可以应用的不同的阈值。尽管测试被描述为以图7中的具体顺序执行，但是将理解，可以同时或以任何合适的顺序执行自测试。
在步骤702处，可以将对在第一测试频率(例如，21.5kHz)处驱动感测振荡器的测量响应与第一测试频率的基线进行比较。在实施例中，可以确定测量结果与基线结果之间的差的幅度的值(诸如百分比变化和绝对值)。处理可以继续到步骤704。
在步骤704处，可以将对在第二测试频率(例如，22Hz)处驱动感测振荡器的测量响应与第二测试频率的基线进行比较。在实施例中，可以确定测量结果与基线结果之间的差的幅度的值(诸如百分比变化和绝对值)。处理可以继续到步骤706。
在步骤706处，可以确定第一和第二测试频率处的变化之间的比率。在实施例中，该比率可以基于针对每个测试频率的百分比变化的比率或每个测试频率处的绝对值的变化的比率。一旦在步骤706中已计算出比率，处理就可以继续到步骤708。
在步骤708处，可以将每个测试频率处的增益变化与一个或多个阈值进行比较。在实施例中，如果任一测试频率的增益变化超过单个阈值，则自测试可能未通过并且处理可以继续到步骤710。在另一实施例中，对于自测试未通过，两个增益变化都必须超过阈值。在又一实施例中，对于自测试未通过，两个增益变化必须都超过第一(例如，较低)阈值，并且增益变化之一必须超过第二(例如，较高)阈值。百分比和绝对值增益变化之一或两者可以用于任何这样的实施例，并且在其它实施例中，可以使用阈值和值比较的其它组合。如果在步骤708中自测试未通过，则处理可以继续到步骤710。如果在步骤708中自测试没有未通过，则处理可以继续到步骤712。
在步骤710处，陀螺仪可以已未通过增益变化测试。在一些实施例中，可以分析两个测试频率处的增益变化之间的比率(例如，如在步骤706处所确定的)以确定是否还出现了频率偏移。在实施例中，增益变化之间的较高比率可以指示可能已经出现频率偏移。因此，可以将该比率与阈值进行比较以确定是否还出现了频率偏移。可以报告自测试的结果(例如，报告给处理电路系统或其它设备)，并且可以采取校正措施，例如中止故障陀螺仪的操作。在多轴陀螺仪的示例性实施例中，仍然正常工作的轴可以继续操作，并且在一些实施例中，可以使用(例如，来自多个陀螺仪和加速度计的)传感器融合来尝试估计缺失轴的值。然后，图7中步骤的处理可以结束于步骤710。
在步骤712处，可以将测试频率处的增益变化之间的比率与一个或多个阈值进行比较。在实施例中，在将比率与阈值进行比较之前，必须首先确定与测试频率之一相关联的增益变化是否超过阈值(例如，频率偏移增益阈值)。如果增益变化都不超过这样的阈值，则不太可能有任何显著的频率偏移。然后可以分析在步骤706中确定的增益变化的比率(例如，与阈值进行比较)。如图5所示，陀螺仪的感测模式谐振频率的变化很可能导致在两个测试频率处经历的增益变化的改变。通过将比率与阈值进行比较，可以确定频率偏移是否已超过阈值，超过该阈值应指示陀螺仪已故障。如果在步骤712中自测试未通过，则处理可以继续到步骤714。如果在步骤712中自测试没有未通过，则处理可以继续到步骤716。
在步骤714处，陀螺仪可以已经未通过频率偏移测试。可以报告自测试的结果(例如，报告给处理电路系统或其它设备)，并且可以采取校正措施，例如中止故障陀螺仪的操作。在多轴陀螺仪的示例性实施例中，仍然正常工作的轴可以继续操作，并且在一些实施例中，可以使用(例如，来自多个陀螺仪和加速度计的)传感器融合来尝试估计缺失轴的值。然后，图7中步骤的处理可以结束。
在步骤716处，陀螺仪可能已经通过增益变化测试和频率偏移测试两者。可以报告自测试的结果(例如，报告给处理电路系统或其它设备)并且处理可以继续到步骤718。
在步骤718处，可以确定陀螺仪是否能够执行补偿，例如，修改陀螺仪的一个或多个操作参数以补偿没有导致陀螺仪未通过自测试的增益或频率的任何变化。如果要执行补偿，则处理可以继续到图8。如果不执行补偿，则图7中的处理可以结束。
图8描绘了根据本公开的一些实施例的频率响应补偿的示例性步骤。尽管在图8中描述了具体的测试和补偿技术，但是将理解，根据本公开和本领域人员的技术可以应用任何合适的测试和技术。在实施例中，针对两个测试频率的增益变化和比率的值可能已被确定，例如，在图7的步骤702至706中。
在步骤802处，可以将每个测试频率处的增益变化与一个或多个阈值进行比较。在实施例中，如果针对任一测试频率的增益变化超过单个阈值，则可能需要补偿并且处理可以继续到步骤804。在另一实施例中，对于需要补偿，两个增益变化都必须超过阈值。在另一实施例中，对于需要补偿，两个增益变化都必须超过第一(例如，较低)阈值，并且增益变化之一必须超过第二(例如，较高)阈值。在再一些其它实施例中，可以应用不同的阈值和不同的阈值技术来确定是否应该使用不同的补偿技术。百分比和绝对值增益变化之一或两者可以用于任何这样的实施例，并且在其它实施例中，可以使用阈值和值比较的其它组合。如果在步骤802中需要补偿，则处理可以继续到步骤804。如果在步骤802中不需要补偿，则处理可以继续到步骤806。
在步骤804处，可以将补偿技术应用于陀螺仪以补偿陀螺仪所经历的增益变化。补偿技术的示例性实施例可以包括修改施加至陀螺仪的驱动信号的幅度(例如，驱动陀螺仪的驱动质块的驱动梳的驱动电压)、修改用于陀螺仪的感测电路系统的操作参数(例如，感测电路系统的一个或多个放大器增益)或修改与感测信号相关联的缩放参数(例如，与陀螺仪的处理电路系统或处理电路系统处的感测信号相关联的数字缩放因子)。在一些实施例中，可以修改这些参数中的多个参数。一旦在步骤804中更新操作参数，则处理就可以继续到步骤806。
在步骤806处，可以将测试频率处的增益变化之间的比率与一个或多个阈值进行比较。在实施例中，在将比率与阈值进行比较之前，必须首先确定与测试频率之一相关联的增益变化是否超过阈值(例如，频率偏移增益阈值)。如果增益变化都不超过这样的阈值，则不太可能有任何显著的频率偏移。然后可以分析在步骤706处确定的增益变化的比率(例如，与阈值进行比较)。在一些实施例中，可以应用不同的阈值和不同的阈值技术来确定是否应该使用不同的补偿技术。如果超过任何比率比较阈值，则处理可以继续到步骤808。如果没有比率比较阈值被超过，则图8中的处理可以结束。
在步骤808处，可以将补偿技术应用于陀螺仪以补偿陀螺仪所经历的频率偏移，如由比率的变化所指示的。补偿技术的示例性实施例可以包括修改施加至陀螺仪的驱动信号的幅度(例如，驱动陀螺仪的驱动质块的驱动梳的驱动电压)、修改用于陀螺仪的感测电路系统的操作参数(例如，感测电路系统的一个或多个放大器增益)或修改与感测信号相关联的缩放参数(例如，与陀螺仪的处理电路系统或处理电路系统处的感测信号相关联的数字缩放因子)。在一些实施例中，可以修改这些参数中的多个参数。一旦在步骤808中已更新操作参数，则图8中的处理就可以结束。
前面的描述包括根据本公开的示例性实施例。提供这些示例仅用于说明的目的，而不是为了限制的目的。将理解，本公开可以以与本文明确描述和描绘的那些不同的形式来实现，并且本领域普通技术人员可以实施与所附权利要求一致的各种修改、优化和变化。