驱动电路、用于驱动MEMS陀螺仪的方法和对应的MEMS陀螺仪与流程

本发明涉及用于mems陀螺仪的驱动电路和驱动方法，该mems陀螺仪特别是基于科里奥利效应操作的mems陀螺仪，即所谓的cvg(科里奥利振动陀螺仪)。本发明还涉及对应的mems陀螺仪。

背景技术：

众所周知，当前的微加工技术使能从半导体材料层开始获得微机电系统(mems)，该半导体材料层已经在牺牲层上沉积(例如，多晶硅层)或生长(例如，外延层)，然后通过化学蚀刻除去牺牲层。例如在汽车领域、惯性导航和便携式设备领域中，利用该技术获得的惯性传感器，特别是加速度计和陀螺仪，正在获得越来越多的成功。

特别地，已知使用mems技术制造的半导体材料的集成陀螺仪，其基于相对加速度定理操作，利用科里奥利加速度。如前所述，这些mems陀螺仪被称为cvg。

当以某一角速度(其值将被检测)的旋转被施加到以线性速度被驱动的mems陀螺仪的移动质量块(所谓的惯性质量块)时，惯性质量块感受到表观力，该表观力被定义为科里奥利力，科里奥利力确定惯性质量块在垂直于驱动线性速度方向、且垂直于绕其发生旋转的轴的方向上的位移。

惯性质量块通过弹性元件支撑，弹性元件使能惯性质量块在表观力的方向上的位移。根据胡克定律，位移与表观力成比例，因此通过惯性质量块的位移，可以检测科里奥利力，从而检测产生科里奥利力的旋转角速度的值。

惯性质量块的位移可以例如被电容性地检测，在共振振荡的条件下(以便最大化运动的幅度)确定由移动感测电极的运动引起的电容的变化，移动感测电极相对于惯性质量块被固定并且电容性地耦合到固定感测电极(例如，在所谓的“平行板”配置中，或者否则在所谓的“梳指状”配置中)。

图1示意性地并且仅以示例的方式示出了已知类型的memscvg的可能实施例，其作为整体被标记为1，在这种情况下，memscvg是单轴类型的，即能够检测角速度，例如，沿着单个感测轴作用的角速度ωz，在该示例中，角速度ωz绕垂直轴z起作用。

mems陀螺仪1包括具有驱动质量块2的微机械结构1'，驱动质量块2的主延伸部分在水平面xy中。驱动质量块2通过锚固件3耦合到基板s(示意性地示出)，驱动质量块2通过弹性锚固元件4连接到锚固件3，弹性锚固元件4配置成使能驱动质量块2的沿着上述水平面xy的第一水平轴x的驱动运动。

驱动电极5和驱动感测电极6耦合到驱动质量块2，并且包括耦合到驱动质量块2的相应的移动电极、以及相对于基板被固定的相应固定电极，移动电极和固定电极电容性地耦合在所谓的梳指状配置中。

驱动电极5由驱动(或激励)信号d1、d2偏置，以便由于相应的移动电极和相应的固定电极之间的静电耦合，而产生驱动质量块2的上述驱动运动，特别是在振荡频率fd处的共振运动(该振荡频率对应于微机械结构1'的振荡的固有频率)，并且驱动感测电极6使得能够产生驱动信号i1、i2，特别是指示驱动运动程度(即驱动质量块2的振荡幅度)的电容变化信号。有利地，驱动信号i1，i2是差分类型的，即响应于驱动运动具有相反的变化。如图1所示，由6'表示的第一组驱动感测电极实际上被配置为由于驱动运动而产生第一电容变化，并且由6”表示的第二组驱动感测电极被配置为由于相同的驱动运动而产生与第一电容变化相反的第二电容变化。

mems陀螺仪1的微机械结构1'还包括惯性质量块8，其通过弹性耦合元件9弹性地耦合到驱动质量块2，弹性耦合元件9配置成使得惯性质量块8在驱动运动期间固定地耦合到驱动质量块2，因此，惯性质量块8沿着第一水平轴x被拖拉，并且还在沿着水平面xy的第二水平轴y的感测运动中自由移动，第二水平轴y与第一水平轴x正交，感测运动是由于科里奥利力而产生的，在存在绕垂直轴z作用的角速度ωz的情况下产生科里奥利力，垂直轴z与上述水平面xy正交。

感测电极10耦合到惯性质量块8，以梳指状配置电容性地耦合在一起，部分地耦合到惯性质量块8并且部分地相对于基板固定，以便由于感测运动而产生差分电容变化。

因此，感测电极10使得能够产生感测信号vs1、vs2，特别是表示感测运动程度(即，惯性质量块8沿第二水平轴y的振荡幅度)的电容变化信号，感测信号vs1、vs2可以被适当地处理以确定要检测的角速度ωz的值。

具体地，mems陀螺仪1包括：感测或读取电路12，耦合到感测电极10，并且被配置为产生作为感测信号vs1、vs2的函数的输出信号(例如输出电压vout)；以及驱动电路14，耦合到驱动电极5和驱动感测电极6，并且被配置为通过基于驱动信号i1、i2的反馈控制和驱动模式的期望振荡幅度，来产生驱动信号d1、d2(该幅度的值在设计阶段确定，以确保在角速度检测中的期望灵敏度)。

实际上，已知mems陀螺仪1中的驱动模式的振荡幅度将被准确控制，因为其值直接确定传感器在角速度检测中的灵敏度特性。

应该注意的是，驱动质量块2和惯性质量块8被偏置在恒定电压，该恒定电压在图1和后续图中由vrot表示。

更详细地说，并且如图2所示，在已知类型的实施例中，驱动电路14具有：第一输入14a和第二输入14b，配置为接收上述驱动信号i1、i2；以及第一输出14c和第二输出14d，配置为提供上述驱动信号d1、d2。

驱动电路14包括输入级15，输入级15耦合到第一输入14a和第二输入14b，并且被配置为提供作为驱动信号i1、i2的函数的驱动信号vsd(特别是差分电压信号)。在该示例中，输入级15是电容至电压(c2v)转换器，其被配置为作为在输入处接收的电容变化信号和对应的电流信号isd的函数，在输出处产生电压信号。然而，可以设想不同的实施例以用于上述输入级15，例如，输入级15可以包括跨阻抗放大器。

特别地，如果针对驱动回路满足巴克豪森标准，则驱动信号vsd是在mems陀螺仪1的微机械结构1'的驱动部分的固有振荡频率fd处的正弦信号。

驱动电路14还包括：比较器级16，比较器级16在其输入处接收驱动信号vsd，并在其输出处(通过过零检测)产生振荡频率fd处的时钟信号ck(称为“固有时钟”)；以及pll(锁相环)级17，pll级17在其输入处接收固有时钟信号ck，并在其输出处产生适当数量的派生时钟信号派生时钟信号的频率与振荡频率fd适当地相关，并且派生时钟信号以已知的方式被使用在mems陀螺仪1内，例如，用于由相同的驱动电路14和感测电路12执行的操作。

驱动电路14还包括自动增益控制(agc)级18，其在输入处接收驱动信号vsd和参考信号vref，参考信号vref指示驱动模式的期望(或设计)的振荡幅度。

作为驱动信号vsd和参考信号vref的函数，agc级18产生控制信号vctrl，控制信号vctrl是相同的驱动信号vsd(例如其峰值)和参考信号vref之差的函数。

驱动电路14还包括迫使级(forcingstage)19，其耦合到驱动电路14的第一输出14c和第二输出14d，还从pll级17接收适当的派生时钟信号并从agc级18接收上述控制信号vctrl，并且被配置为作为相同的控制信号vctrl的函数产生驱动信号d1、d2。

因此，驱动电路14实现反馈控制，以便迫使驱动信号d1、d2的值使得驱动信号vsd与参考信号vref具有期望关系(并且结果是，以便获得驱动运动的期望振荡幅度)。

本申请人注意到，上述驱动解决方案至少在某些操作条件下存在一些问题。

首先，agc级18由于其纯粹的模拟性质，以不可忽略的方式受到电路组件的值的可能变化(不匹配)的影响，例如，该可能变化是由于制造工艺扩散、老化或外部参数(诸如温度或湿度)。因此，可能在驱动模式的振荡幅度的控制中发生不期望的变化，并且由此可能发生mems陀螺仪1关于角速度的检测灵敏度的不期望的变化。

此外，再次由于agc级18(其以已知的方式包括必须被适当地偏置的放大块)，驱动电路14具有相当大的电消耗，这对mems陀螺仪1的整体消耗有显著影响。

技术实现要素：

提供了一种用于mems陀螺仪的改进的驱动解决方案。

根据本解决方案，因此提供了用于mems陀螺仪的驱动电路和对应的驱动方法。提供了一种用于mems陀螺仪的驱动电路。驱动电路包括输入级，输入级被配置为接收指示mems陀螺仪的移动质量块的驱动运动的至少一个电学量，并基于该电学量产生至少一个驱动信号。驱动电路包括测量级，测量级被配置为确定其中驱动信号满足与幅度阈值的给定关系的时间间隔的持续时间，并且基于该时间间隔的持续时间确定驱动运动的振荡幅度。驱动电路包括控制级，控制级被配置为接收振荡幅度，基于振荡幅度产生用于mems陀螺仪的移动质量块的驱动信号，并且将驱动信号提供给mems陀螺仪的移动质量块，以使驱动运动处于振荡频率。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式并参考附图来描述其优选实施例，其中：

图1示出了已知类型的mems陀螺仪和对应的微机械结构的示意和简化表示；

图2是mems陀螺仪的驱动电路的总体框图，该mems陀螺仪也是已知类型的；

图3至图6示出了根据这里描述的实施例的mems陀螺仪的驱动电路的电学量的曲线图。

图7是根据第一实施例的mems陀螺仪的驱动电路的框图；

图8示出了驱动电路中电学量的进一步的曲线图；

图9是根据另一实施例的mems陀螺仪的驱动电路的框图；以及

图10是根据本申请的另一方面的其中使用mems陀螺仪的电子设备的总体框图。

具体实施方式

如现在将详细讨论的，本申请的一个方面设想通过基本上数字性质的时域测量来测量驱动运动的振荡幅度，特别是基于测量时间间隔，在该时间间隔期间，驱动信号vsd(参见上述讨论)与适当的幅度阈值具有给定关系。

如先前已经讨论的，正弦类型的驱动信号vsd表示与驱动运动相关联的主振动模式，正弦类型的驱动信号vsd可表达为：

vsd＝a0sin(2πfdt)

其中如前所述，fd是振荡频率，并且a0是驱动运动的振荡幅度。

还参考图3，可以示出的是，在其期间驱动信号vsd大于幅度阈值ath的时间间隔δt可以表达为：

其中等于1/fd的td是驱动质量块的固有振荡的周期，并且适用0<ath<a0的关系(应当注意，总的来说，类似考虑可以应用于负值阈值；同样，可以对正弦曲线进行整流，以便每个振荡周期进行两次测量)。

因此存在时间间隔δt和振荡幅度a0之间明确定义的关系；换句话说，时间间隔δt的测量可以用于推断振荡幅度a0。然而，在这种情况下，这种关系取决于驱动运动的振荡频率fd，尽管振荡频率fd是mems陀螺仪1的设计参数，但其也可能受制造工艺扩展、温度变化或其他因素的影响。

因此，为了测量时间间隔δt，本申请的一个方面设想利用高频率处的派生时钟信号该高频率也取决于驱动运动的振荡频率fd(即，取决于主振荡模式的固有频率)。

特别是，对于该派生时钟信号适用以下关系：

fck＝kfd；以及

其中fck是派生时钟信号的频率，tck是派生时钟信号的周期，并且k是适当的乘法因子，其限定从振荡频率fd开始的派生时钟信号的频率fck的值。

因此，可以通过频率fck测量时间间隔δt的持续时间，并获得计数n与驱动运动的振荡幅度a0之间的对应关系，计数n指示在时间间隔δt中计数的派生时钟信号的周期tck的数目。特别地，使用先前给出的表达式，可以获得以下关系：

基本上，在计数n(以及相关联的时间间隔δt的持续时间)和振荡幅度a0之间存在明确定义的关系，或者换句话说，可以从计数n开始推断上述振荡幅度a0的值。特别地，该计数n决不取决于振荡频率fd(以及可能的相关联扩散或变化)。

因此，即使存在造成驱动频率fd值变化的操作参数的可能的工艺扩散或变化，基于上述计数n推断振荡幅度a0的值的驱动动作的控制也可以保证mems陀螺仪的幅度值和相关检测灵敏度的可重复性。

因此，即使在存在可能的过程扩展或操作参数的变化导致驱动频率fd值的变化的情况下，基于上述计数n的控制驱动动作以推断振荡幅度a0的值，可以保证幅度值的可重复性以及mems陀螺仪的相关检测灵敏度的可重复性。

通过对经由模拟获得的图4和图5的曲线图的分析证实了先前已经讨论的内容，图4和图5分别示出了：在振荡频率fd的三个不同值(在该示例中，19khz，20khz和21khz)下，作为幅度阈值ath和振荡幅度a0之间的比率ath/a0的函数的，时间间隔δt(图4)和计数n(图5)的曲线图。通过示例的方式，乘法因子k的值在模拟中等于128。

特别地，上述图4和图5表明，随着振荡频率fd的变化(在该示例中，扩散大约为5％，这与可以由说明性工艺中的技术扩散所预期的一致)，对于比率ath/a0的给定值，出现时间间隔δt的持续时间的对应变化，而相反，计数n保持绝对不变。

图6进一步示出了：在上述乘法因子k和所得频率fck(是振荡频率fd的64、128或256倍)的三个不同值下，进一步假设(通过示例的方式)幅度阈值ath为0.2(应注意，幅度值被归一化为1)，计数n的曲线图如何作为振荡幅度a0的函数变化。

特别地，图6示出了：对于派生时钟信号的频率fck的高值，以及在幅度阈值ath的值接近于驱动信号vsd的振荡幅度a0的值的情况下，分辨率更高(或等效地，量化误差更低)。

因此得出：在设计阶段，一旦设置了振荡幅度a0的期望值，只要其取决于微机械结构的特性和mems陀螺仪的期望检测灵敏度值，有可能为幅度阈值ath和乘法因子k选择合适的值，以便为驱动电路限定最佳操作点，对应电特性的最佳值对应于该最佳操作点。以这种方式，甚至可以有利地检测振荡幅度的微小变化。

特别地，如前所述，通常有利的是，操作点满足以下条件中的一个或两个条件：比率a0/ath是低的(例如，小于2)；乘法因子k是高的(例如，大于128)。

参考图7，现在呈现用于mems陀螺仪的驱动电路的可能实施例的描述，在这种情况下用20表示该驱动电路，该驱动电路利用前面描述的解决方案，以用于确定对应的移动质量块的驱动运动的振荡幅度的测量，并且基于该振荡幅度的测量，实现驱动运动的反馈控制。

如通过上述图7的检查所清楚的，驱动电路20基本上对应于参照图2描述的驱动电路14；因此，相似的元件由相同的附图标记表示，并且不再详细描述。

驱动电路20的不同之处在于：不存在agc级18，并且在这种情况下agc级18由测量级22代替，测量级22被配置为以基本上数字的方式在时域中执行驱动运动的振荡幅度的测量。

上述测量级22包括阈值比较器块24，其在其输入处接收由输入级15产生的驱动信号vsd，并在其输出处产生超过阈值时间信号stot，超过阈值时间信号stot即为如果驱动信号vsd高于幅度阈值ath(如前所述，其值被适当地设置)则具有第一值(例如，高值)、否则具有第二值(例如，低值)的信号。

阈值比较器块24从阈值参考块24'接收幅度阈值ath，阈值参考块24'被配置为通过已知电路产生具有精确和稳定值的相同幅度阈值ath，已知电路诸如为带隙电路，带隙电路提供稳定的以及(在使用时)可调整的电压参考。

测量级22还包括数字性质的计数器块25，计数器块25耦合到阈值比较器块24，计数器块25从阈值比较器块24接收超过阈值时间信号stot，并且计数器块25进一步耦合到pll级17，计数器块25从pll级17接收频率fck处的派生时钟信号(如前所述，频率fck的值被适当地设置)。由超过阈值时间信号stot使能的计数器块25被配置为确定计数n，即在时间间隔δt内的派生时钟信号的周期tck的数目；如前所述，该计数数目n与驱动运动的振荡幅度a0成正比。

在这方面，对于固有时钟信号ck的单个半周期，图8示出了：振荡td的半周期；超过阈值时间信号stot；以及由超过阈值时间信号窗口化的适当频率fck处的派生时钟信号其周期的数目确定计数n，计数n用于确定时间间隔δt的持续时间。从图8中清楚的是，评估超过阈值时间的分辨率与频率fck有关：乘法因子k越大，派生时钟信号的周期tck越短，因此分辨率测量越好，或者换句话说，由时间间隔δt的数字测量引入的量化误差越低。

驱动电路20还包括控制级26，在这种情况下，控制级26包括数模转换器(dac)块27，数模转换器(dac)块27在其输入处接收计数n以确定用于迫使级19的控制信号vctrl。特别地，控制级26被配置为基于振荡幅度a0(通过将振荡幅度a0与计数n唯一地链接的前述表达式来测量)和幅度阈值ath来确定控制信号vctrl。

如图9所示，另一实施例可以设想：通过调节保持幅度恒定的迫使信号的相位，而不是通过像前述实施例的情况那样调节幅度，来实现迫使(即，产生)驱动信号d1、d2和对应的驱动反馈控制。

在这方面，用于mems陀螺仪的相位控制技术例如描述于“controllingtheprimarymodeofgyroscopeswithaphase-basedamplituderegulation”,t.northemann,etal.,2011proceedingsoftheesscirc(esscirc),september12-16,2011,pp.295-298。

在该实施例中，控制级再次由26表示，而不是在其输出处提供用于迫使级19的模拟控制信号vctrl(即幅度控制信号)，控制级被配置为实现数字移位器28，其在其输出处提供输入时钟信号的适当延迟版本(延迟时钟φctrl)，其中延迟由计数n确定；数字移位器28还从pll级17接收合适的派生时钟信号

迫使级19接收延迟时钟φctrl以及(在这种情况下)具有预设值的迫使幅度信号vforce，以用于适当地产生驱动信号d1、d2的相位，在这种情况下，驱动信号d1、d2具有恒定的幅度。

上述控制解决方案具有不在控制级26中使用数模转换的优点，控制级26实际上实现了在数字域中的迫使调节，因此在可能的工艺扩散或操作条件变化方面证明甚至更加稳健。

从前面的描述中，所提出的解决方案的优点是清楚的。

在任何情况下，再次强调的是，所描述的解决方案基于输入信号的数字处理，以获得关于驱动模式的振荡幅度的信息，驱动反馈控制基于该信息。

特别地，除了阈值比较器块24和提供限定幅度阈值ath的静态参考的阈值参考块24'之外(其中，在对应的稳定性和抗噪声性方面，这些块在任何情况下都可以方便地设计和实施)，该解决方案不需要模拟处理块，代之，在通常的agc级中需要模拟处理块。

以这种方式，通过参数(例如带宽和增益)的模拟值的漂移得到的二阶效应被消除或显著减少。此外，增加了对温度变化或其他环境条件和老化效应的稳健性，并且振荡幅度的测量更不易受输入信号上的噪声影响。

与完全模拟类型的传统解决方案相比，所描述的解决方案需要更低的电流消耗，在完全模拟类型的传统解决方案的情况下，相当大的电消耗用于限制噪声对输出测量的影响并且保证架构内的级的足够增益。

此外，本申请人已经发现，所提出的解决方案对于比较器块24使用的幅度阈值ath的值上的任何偏移也是稳健的，因为可以实现已知的电路技术以消除偏移的影响。

例如，以本身已知的方式，可以在比较器块24中使用斩波技术(设想输入信号的高频调制和随后通过滤波解调的技术)，以便将比较器偏移的影响降低到基本可忽略的水平。

进一步强调的是，比较器级24的操作点的适当选择使能在具有陡峭斜率的驱动信号vsd的区域中进行与幅度阈值ath的比较，这具有对本行业技术人员将是清楚的优点。

基本上，上述特性使得所得的mems陀螺仪特别适合于集成在如图10中示意性所示的电子设备30中；电子设备30可以用在多种电子系统中，例如用在惯性导航系统中、在汽车系统中、或在便携式类型的系统中，便携式类型的系统诸如为pda(个人数字助理)、便携式计算机、移动电话、数字音频播放器、以及照相机或摄像机，电子设备30通常能够处理、存储、发送和接收信号和信息。

电子设备30包括：mems陀螺仪，在此用32表示，特别是被提供有驱动电路20，驱动电路20被配置为驱动mems陀螺仪的移动驱动质量块；以及电子控制单元34，例如微处理器、微控制器、或类似的计算单元，其连接到驱动电路20以及连接到mems陀螺仪32的读取电路12，电子控制单元34从读取电路12接收输出电压vout，并且被配置为还基于上述输出电压vout来监控电子设备30的一般操作，输出电压vout指示检测到的角速度。

最后，清楚的是，可以对这里描述和说明的内容进行修改和变化，而不会由此脱离本发明的范围。

总的来说，要强调的是，还利用在任何情况下都采用驱动运动的振荡幅度测量的mems陀螺仪的微机械结构的不同控制策略和不同迫使方法(甚至不同于先前已经说明的)，可以应用本解决方案，获得类似的优点。

特别地，驱动电路20的控制级26可以实现用于控制迫使级19的不同解决方案，该迫使级19被配置为向mems陀螺仪的微机械结构提供驱动信号d1、d2。

此外，在输入级15在其输出处提供两个差分驱动信号的情况下，以在其它方面与先前所示的方式完全相似的方式，使用两个幅度阈值(负幅度阈值和正幅度阈值)以用于确定超过阈值时间，比较器块24也可以是差分类型的。

最后，要强调的是，驱动电路20可以有利地与mems陀螺仪的微机械结构的任何配置一起使用，以便提供偏置信号以驱动对应的移动驱动质量块。特别地，在这方面强调的是，图1中所示的内容仅代表可能的微机械结构的非限制性示例性实施例。例如，在mems陀螺仪的微机械结构中，可以存在单个移动质量块，其弹性地支撑在基板上方，以便通过同一个移动质量块执行驱动运动和感测运动两者，感测运动因产生的科里奥利力而产生。

可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求享有的等同的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。