用于陀螺仪中模式匹配的频率失配检测方法与流程

本申请涉及微机电系统(mems)陀螺仪。

背景技术：

微机电系统(mems)陀螺仪被配置为通过感测科里奥利力产生的加速度来检测角运动。当mems陀螺仪的共振质量受到角运动时，会产生科里奥利力。

技术实现要素：

描述了一种用于检测微机电系统(mems)中的频率失配的方法。可以通过生成其频谱反映了陀螺仪的物理特性的输出信号，并使用输出信号来确定感测信号的频率fc来执行驱动信号和感测信号之间的频率失配的检测。可以通过将随机或伪随机噪声信号与响应信号互相关来生成输出信号，其中可以通过允许噪声信号通过被设计为具有模仿该模拟的噪声传递函数的系统来获得响应信号。陀螺仪的频率响应。由于噪声信号是随机的或伪随机的，因此噪声信号与响应信号的互相关表明了陀螺仪的频谱特性。为了提高计算效率，可以对噪声信号和响应信号的解调版本执行互相关。

一些实施方案提供检测陀螺仪中频率失配的方法。该方法可包括：向所述陀螺仪施加驱动信号；从所述陀螺仪接收感测信号；和检测所述驱动信号与所述感测信号之间的频率失配，所述检测包括：产生噪声信号；解调所述噪声信号；解调从所述感测信号获得的响应信号；将解调的噪声信号与解调的响应信号相关联；和使用相关联的结果来检测所述频率失配。

一些实施方案提供微机电(mems)装置。mems装置可包括：陀螺仪；和电路，耦合到所述陀螺仪并配置为：向所述陀螺仪施加驱动信号；从所述陀螺仪接收感测信号；通过下列方式检测所述驱动信号与所述感测信号之间的频率失配：产生噪声信号；解调所述噪声信号；解调从所述感测信号获得的响应信号；将解调的噪声信号与解调的响应信号相关联；和使用相关联的结果来检测所述频率失配。

一些实施方案提供微机电(mems)装置。mems装置可包括：陀螺仪，被配置为产生感测信号；噪声整形器，具有耦合到所述陀螺仪并被配置为接收所述感测信号的第一输入、和耦合到所述噪声发生器的输出的第二输入；第一解调器，耦合到所述噪声发生器的输出；第二解调器，耦合到所述噪声整形器的输出；和关联器，耦合到所述第一和第二解调器。

附图说明

将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施例。应该理解的是，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在它们出现的所有图中用相同的附图标记表示。

图1a是示出根据本文描述的技术的一些实施例的微机电系统(mems)陀螺仪的框图。

图1b是示出根据本文描述的技术的一些实施例的驱动信号和感测信号的光谱特性的曲线图。

图2是根据本文描述的技术的一些实施例的说明性mems陀螺仪的示意图。

图3是根据本文描述的技术的一些实施例的用于补偿mems陀螺仪以用于驱动信号频率和感测信号频率的失配的说明性系统的框图。

图4a是示出根据本文描述的技术的一些实施例的用于检测mems陀螺仪中的频率失配的示例系统的一部分的框图。

图4b是根据本文描述的技术的一些实施例的图4a的系统的另一部分的框图。

图4c是示出根据本文描述的技术的一些实施例的图4b的系统的输出的频谱的曲线图。

图4d是根据本文描述的技术的一些实施例的图4a的系统的另一部分，其可以替代图4b的系统使用。

图5a是示出根据本文描述的技术的一些实施例的图4a的系统的光谱特性的曲线图。

图5b是示出根据本文描述的技术的一些实施例的图4d的系统的输出的光谱特性的曲线图。

图5c是示出根据本文描述的技术的一些实施例的示例校准曲线的曲线图，其中频率失配被绘制为相位的函数。

图6是根据本文描述的技术的一些实施例的噪声传递函数的曲线图，其示出了驱动信号具有非零带宽的情况。

图7a是根据本文描述的技术的一些实施例的用于在存在具有非零带宽的驱动信号的情况下检测频率失配的系统的框图。

图7b是根据本文描述的技术的一些实施例的用于在存在具有非零带宽的驱动信号的情况下检测频率失配的另一系统的框图。

具体实施方式

发明人已经意识到微机电系统(mems)陀螺仪对角运动的响应可能受到频率失配的存在的负面影响。这里使用表达“频率失配”来表示陀螺仪的谐振器被激励的信号的频率(这里称为“驱动信号”)与响应科里奥利力产生的信号频率(在此称为“感测信号”)之间的差异。当频率失配发生时，感测信号的幅度可能会减小和/或感测信号可能受到噪声的影响，这会导致陀螺仪的不准确性能。感测信号的频率可以根据陀螺仪的物理特性(例如，温度、由制造过程产生的设计变化等)而变化，并且因此目前尚不清楚在陀螺仪操作过程中是否会发生频率失配。

发明人已经意识到，检测频率失配的存在和/或幅度可以用于补偿频率失配，例如，通过调整驱动频率和/或施加偏置电压。因此，本文描述的技术的一些方面涉及用于即使在存在温度和/或工艺变化的情况下检测mems陀螺仪中的频率失配的方法和系统。

在一些实施例中，可以通过产生其频谱反映陀螺仪的物理特性的输出信号并使用输出信号确定感测信号的频率fc来执行驱动信号和感测信号之间的频率失配的检测。如本文所解释的，当根据本文描述的实施例执行时，输出信号的频谱分析可以揭示频率fc处的特征(例如，峰值或倾角)。

根据一个方面，可以通过利用互相关操作的特性来生成输出信号以反映陀螺仪的特性。例如，可以通过将随机或伪随机噪声信号与响应信号互相关来生成输出信号，其通过允许噪声信号通过设计具有模拟陀螺仪频率响应的噪声传递函数的系统来获得响应信号(并且至少在一些实施例中，可以实现系统的至少一部分，作为δ-σ调制器)。由于噪声信号是随机的或伪随机的(并且因此，其自相关是或者通过δ函数很好地近似)，因此噪声信号与响应信号的互相关显示了陀螺仪的频谱特性。

发明人进一步认识到，检测陀螺仪的频谱特性可能在计算上是昂贵的，并且因此可能不必要地利用否则可以为不同目的而释放的计算资源。因此，发明人已经开发了用于隔离陀螺仪的频谱特性的受限部分(例如，单个频率或离散数量的频率)的技术，以及用于基于该受限部分来检测频率失配的技术。根据一个方面，通过解调所述噪声信号与响应信号和通过将解调信号相互交叉相关来执行受限部分的隔离，其中载波的信号基本上等于驱动信号的频率。至少在一些实施例中，可以通过确定特定行为是否发生在预定参考频率来完成频率失配的检测(例如，在直流(dc)分量处，互相关结果的相位是否为90°，即在f＝0)。

在一些实施例中，检测驱动信号和感测信号之间的频率失配包括确定这些频率是否基本上彼此相等。在一些实施例中，检测驱动信号和感测信号之间的频率失配还包括确定两个频率彼此偏移的量。在一些实施例中，确定频率彼此偏移的量，该量可用于补偿陀螺仪是否存在频率失配。例如，当确定频率失配等于δf时，可以通过将驱动信号的频率移动δf和/或施加幅度取决于δf的偏置电压来执行补偿。

图1是示出根据一些实施例的陀螺仪100的框图。陀螺仪100包括谐振器102和传感器104。谐振器102被配置为当由具有频率fr的驱动信号驱动时周期性地谐振。传感器104(在一些实施例中可以是加速度计)被配置为感测角速度。因此，当陀螺仪100经受角运动时(例如，当陀螺仪相对于轴旋转时)，可以使用传感器104感测角运动发生的角速率(例如，旋转速率)。

在一些实施例中，陀螺仪100被配置为通过检测由科里奥利效应产生的加速度来感测角速度。在下列情况下产生科里奥利效应，并因此产生科里奥利力：1)谐振器102谐振；2)陀螺仪受到角运动。在这些情况下，传感器104可以检测由科里奥利效应产生的加速度。可以从加速度推断与角运动相关联的角速率，例如，通过使用耦合到传感器104的感测电路。

在一些实施例中，传感器104响应于科里奥利力(在本文中称为“感测信号”)产生的信号的光谱内容至少部分地取决于传感器104的物理特性(例如，几何形状或材料或材料)。例如，在一些实施例中，传感器104可以具有呈现共振的光谱响应，并且因此感测信号的光谱在共振处可以具有(局部或全局)峰值。

如本文所讨论的，可以通过将驱动信号的频率与感测信号的峰值频率匹配来增强对角运动的响应的幅度。然而，可能限制这些频率彼此匹配的能力可能是在操作陀螺仪之前可能不知道传感器104的特性的事实，并且因此频率fc是未知的。因此，频率fc和fr(驱动信号的频率)可以不等于或基本上彼此相等。图1b中示出了一个这样的示例，其示出了驱动信号的频谱112和感测信号的频谱114。如图所示，在这种情况下，频率fr与fc不同。

谐振器102和传感器104可以以任何合适的方式布置。在一些实施例中，谐振器102包括质量，并且传感器104包括单独的质量。在其他实施例中，谐振器102和传感器104共享相同的质量。

在图2中示出了陀螺仪100的一个示例实施方式。在该示例中，陀螺仪200被配置为在平行于x轴的方向上谐振并且在平行于y轴的方向上检测科里奥利力。应当理解，本文描述的类型的陀螺仪不限于任何特定的共振或检测方向。陀螺仪200包括固定框架210(通过锚固件214锚固到下面的基板)、检测质量块202和固定电极220。证明质量块202通过耦合器212弹性地耦合到固定框架210。耦合器212可以是柔顺的，从而允许检测质量块202相对于固定框架210的运动。在该示例中，检验质量块202用作谐振器102。因此，当驱动信号施加到耦合到检测质量202的一个或多个电极(图2中未示出)时，检测质量202沿x轴来回振荡，通过(例如，等于)驱动信号的频率fr确定振荡的周期性。

证明质量202包括多个自由端梁222，其形成具有相应固定电极220的多个感测电容器。感测电容器可以感测检测质量块沿y轴的运动，使得感应电容器的电容取决于检测质量的加速度。因此，自由端梁222和固定电极共同形成传感器204，其可以用作传感器104。

当陀螺仪200绕x轴进行角运动并且驱动检测质量202沿x轴振荡时，产生沿y轴的科里奥利力并且检测质量沿y轴移动。通过使用传感器204检测沿y轴的检测质量202的加速度，可以推断出角速度。如上所述，传感器204产生的信号的频率(感测信号)和驱动信号的频率可以彼此偏移。

在一些实施例中，可以针对驱动信号的频率与感测信号的频率之间的频率失配补偿陀螺仪200。用于补偿用于频率失配的陀螺仪100的系统的示例在图3中示出。在一些实施例中，感测信号由驱动信号和输入角旋转速率ω的乘积给出。如图所示，陀螺仪100耦合到频率失配检测器302和控制电路304。频率失配检测器302从传感器104接收感测信号，并检测频率失配(例如，确定频率是否基本上彼此相等、和/或确定它们不匹配的量)。在频率失配检测器302确定失配量的至少一些实施例中，控制电路304可用于调整施加到谐振器102的驱动信号的频率。在一些实施例中，频率fr相对于其初始值移动的量取决于频率fr和fc彼此偏移的量。例如，失配越大，频率fr移动的程度越大。频率失配检测器的示例在下面进一步提供。控制电路304可以以任何合适的方式实现，包括但不限于比例(p)控制器、积分(i)控制器、微分(d)控制器或其任何合适的组合。陀螺仪100，频率失配检测器302和控制电路304可以设置在同一衬底(例如，硅芯片)上，或设置在单独的衬底上。

在一些实施例中，驱动信号和感测信号之间的频率失配的检测可以包括产生噪声信号、解调所述噪声信号和从感测信号获得的响应信号、将解调的噪声信号与解调的响应信号相关联，并使用相关结果来检测频率失配。图4a中示出了用于检测频率失配的系统400的示例。系统400包括传感器402(其可以代表传感器104)、噪声整形器404、噪声发生器406和数模转换器(dac)414。在一些实施例中，噪声整形器404包括放大器405和电容器c(这可以共同形成诸如积分器的低通滤波器)、量化器410和dac412。

噪声整形器404可以被配置为使系统400的噪声传递函数成形为至少部分地取决于传感器402的光谱特性。例如，如果传感器402在频率fc处呈现峰值，则系统400的噪声传递函数可以在频率fc处表现出下降。放大器405、电容器c、量化器410和dac412可以共同形成δ-σ调制器。噪声整形器404不限于δ-σ调制器，因为其他实施方式也是可能的。系统的频谱特性可以以任何合适的方式表示，包括例如功率谱密度、频率响应、传递函数、脉冲响应、自相关函数等。

传感器402可以接收科里奥利力作为输入，并且可以作为响应产生感测信号(假设相应的谐振器正在谐振)。感测信号通过噪声整形器404。在一些实施例中，使用噪声发生器406产生的噪声信号被注入到噪声整形器404中(例如，在放大器405的输出和量化器410的输入之间)。噪声信号可以是具有低自相关的随机信号(例如，白噪声或粉红噪声)。在一些实施例中，噪声发生器406被实现为伪随机位序列(prbs)发生器，并且噪声信号是prbs。

在噪声整形器404包括量化器410的实施例中，量化器410可用于对通过将感测信号的滤波版本(例如，使用放大器405和电容器c)与噪声信号组合而获得的信号进行采样。量化器410的采样频率fs可以是感测信号的频率fc的至少两倍。由噪声整形器404输出的信号在本文中称为“响应信号”。响应信号可以表示科里奥利力的大小，并且因此可以表示陀螺仪所经受的角速度的大小。dac414可以形成反馈回路，并且可以被配置为扩展系统400的带宽，否则当频率fc和fr匹配时，带宽可能过窄。

在一些实施例中，可以通过确定系统400的噪声传递函数来确定频率fc。用于确定系统400的噪声传递函数的一种方式是将响应信号与噪声信号互相关。图4b示出了接收图4a的噪声信号和响应信号的交叉关联器430。系统400被建模为具有传递函数h0的等效块。使噪声信号(其具有在原点具有窄脉冲的自相关)与响应信号互相关产生具有基本上等于h0的频谱的输出信号h0。因此，可以通过检测输出信号h0的频谱来检测噪声传递函数(并因此检测频率fc)。

示例输出信号h0的频谱被示为图4c中的频率的函数。如图所示，光谱在频率fc处表现出下降，这是由于传感器402在fc处具有峰值的事实。因此，可以通过检测发生下降的频率来检测频率fc。fc和fr之间的频率失配又可以通过从fr减去fc来获得(反之亦然)。从图4c可以进一步理解，光谱表现出高通行为，因为在该示例中，噪声整形器404被实现为δ-σ调制器。

在一些实施例中，可以检测频率失配而不必确定噪声传递函数的扩展频谱部分，而是仅通过关注感兴趣区域。以这种方式，可以提高计算效率。在图4d中示出了用于在提高计算效率的同时检测频率失配的系统的一个示例。在这个例子中，响应信号和噪声信号由具有载波的解调信号解调，该载波基本上等于fr(例如，在90％和110％或fr之间)。可以从驱动信号导出解调信号。可以通过分别使用混频器421和422将这些信号与解调信号混合来执行响应信号和噪声信号的解调。可选地，可以使用低通滤波器431和432对得到的信号进行滤波，从而去除频谱的高频部分。

在一些实施例中，解调信号可以通过抽取器441和442(具有大于1的抽取因子m)。以这种方式，减少了用于表示解调信号的数据样本的数量，从而提高了计算效率。然后可以使用关联器450对解调的信号进行互相关。

根据某些实施例，图5a示出了系统400的噪声传递函数的幅度(曲线502)和相位(曲线504)，图5b示出了通过关联器450获得的信号的幅度(曲线512)和相位(曲线514)。如图所示，系统400的噪声传递函数表现出频率为fc的下降。相应地，相位等于90°。由于响应和噪声信号以基本上等于fr的频率被解调，因此关联器的输出中的下降发生在频率fc-fr，如图5b所示。相应地，关联器的输出相位在频率fc-fr处表现出等于90°的相位。

在一些实施例中，可以通过确定参考频率处的互相关的输出的幅度和/或相位来确定频率失配。以这种方式，相对于处理频谱的扩展部分的情况，需要处理的数据点的量显着减少。在一个示例中，可以通过在f＝0处检测关联器的输出的相位来执行频率失配的检测。例如，如果f＝0的相位是90°，则可以确定频率fc和fr是匹配的。相反，如果相位大于或小于90°，则可以确定频率彼此偏移。至少在一些实施例中，可以通过计算关联器的输出的积分来确定f＝0处的相位。如果积分的结果是实部等于零，则可以确定相位等于90°，并且fc＝fr。

在一些实施例中，可以通过检测相位与90°不同的量来检测fc和fr不匹配的量。为此，可以执行校准过程，使得频率失配可以映射到互相关输出的相位。在图5c中示出了利用诸如校准过程获得的校准曲线的示例，其绘制了频率失配fc-fr与f＝0处的相位(φf＝0)的关系曲线。例如，如果φf＝0等于106°，则可以确定频率失配等于10khz。在其他实施例中，除了f＝0之外的参考频率可以用于检测频率失配。

在一些实施例中，与输入角旋转速率ω相关联的信号可以表现出相对于噪声传递函数的带宽足够宽的频谱，以使噪声传递函数的形状失真。在这些情况下，这里讨论的用于检测频率失配的技术的准确性可能受到负面影响。当频率fr在噪声传递函数中的下降带宽内时，该效果可能是显着的。该场景在图6的示例中示出，其中噪声传递函数由数字600指示，频率fr由数字602指示，并且数字604指示另外的音调。附加音调的存在产生频谱展宽，这可能影响使用上述技术准确地检测频率失配的能力。

为了减少这种影响，在一些实施例中，prbs可以用作包括第一子序列d1(n)和与第一子序列相对的第二子序列d2(n)的噪声信号。例如，如果第一子序列d1(n)包括值+1、+1、-1、+1、-1...-1，则第二子序列d2(n)包括值-1、-1、+1、-1、+1...+1。在一些实施例中，prbs可以由序列d1(n)、d2(n)、d1(n)、d2(n)、d1(n)...定义。这样，可以抵消(或至少限制)非零带宽的影响。

用于限制非零带宽的影响的示例系统在图7a中示出，其中h1(n)表示传感器402的脉冲响应，并且h0(n)表示系统400的脉冲响应。这里，x(n)指科里奥利力，y(n)指感受信号，d(n)指噪声信号(包括d1(n)、d2(n)、d1(n)、d2(n)、d1(n)......)，z(n)是响应信号，v(n)是中间信号，w(n)是输出信号。符号x和c将分别用于表示卷积运算符和相关运算符。

在这种情况下，v(n)包括两个分量v1(n)和v2(n)(分别在d(n)＝d1(n)和d(n)＝d2(n)时定义)。这里，v1(n)和v2(n)由下式给出

v1(n)＝x(n)xh1(n)+d1(n)xh0(n)

v2(n)＝x(n)xh1(n)+d2(n)xh0(n)

类似地，w(n)包括两个分量w1(n)和w2(n)(分别在d(n)＝d1(n)和d(n)＝d2(n)时定义)。这里，w1(n)和w2(n)由下式给出w1(n)＝d1(n)cv1(n)＝d1(n)c[x(n)xh1(n)+d1(n)xh0(n)]＝h0(n)+[d1(n)cx(n)xh1(n)]w2(n)＝d2(n)cv2(n)＝d2(n)c[x(n)xh1(n)+d2(n)xh0(n)]＝h0(n)+[d2(n)cx(n)xh1(n)]

由于d2(n)＝-d1(n)，那么

w2(n)＝h0(n)-[d1(n)cx(n)xh1(n)]

将w1(n)加到w2(n)得到

w1(n)+w2(n)＝2h0(n)

这完全取决于h0(n)。因此，计算w1(n)+w2(n)的结果不受与输入角旋转速率ω相关联的信号的带宽的影响。

与上述情况类似，可以在不必检测h0(n)的扩展频谱部分的情况下执行频率失配的检测。这可以通过以与结合图4d描述的相同方式使用解调方案来实现。得到的系统如图7b所示，其中混频器421和422用于解调。可选地，使用低通滤波器431和432和/或抽取器441和442。在一些实施例中，为了进一步限制高频杂散分量，例如解调信号中的高频音调，可以在关联器450之前使用一对低通滤波器451和452。

本文描述的技术的方面可以提供一个或多个益处，其中一些已经在先前描述过。现在描述这些益处的一些非限制性实例。应当理解，并非所有方面和实施例都必须提供现在描述的所有益处。此外，应当理解，本文描述的技术的各方面可以为现在描述的那些提供额外的益处。

这里描述的技术的各方面提供了用于检测mems陀螺仪中的频率失配的计算上有效的方法。该方法可用于补偿mems陀螺仪的频率失配，从而显着提高陀螺仪检测角运动的能力。

术语“大约”、“基本上”和“大概”可以用于表示在一些实施例中在目标值的±20％内，在一些实施例中在目标值的±10％内，在一些实施例中在目标值的±5％内，在一些实施例中在目标值的±2％内。术语“大约”和“大概”可以包括目标值。