MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置及方法与流程

本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种mems陀螺仪驱动幅度校正装置及方法。

背景技术：

陀螺仪是测量物体转动角速度的装置，在工业控制、医疗器械、汽车电子以及现代军事领域有广泛的应用。早期的机械陀螺体积庞大，成本高昂，只能用于特殊用途。近年来微机电系统(microelectronicmechanicalsystem，mems)陀螺仪凭借体积小、重量轻、集成度高且成本低廉的优势占据了大量的市场份额。mems陀螺仪感应信号产生的原理可以简单地描述为角速度作用于以一定速度振动的质量块，产生与振动方向垂直的科里奥利力(科氏力)，科氏力使质量块沿感应方向发生位移，从而产生感应信号。根据科氏力的计算公式，当质量块的质量一定时，科氏力的大小正比于驱动幅度和外加角速度的乘积，因此驱动幅度可以说是影响mems陀螺仪性能的最重要的因素之一。

对于每一颗单独的mems陀螺仪芯片，控制电路可以通过闭环反馈的方式保持驱动幅度的稳定，甚至在外界温度或者芯片自身的品质因子发生变化时依然能够保持驱动幅度的稳定，如公布号为cn110389528a和cn110311684a的发明专利均利用了类似的方式实现对陀螺的驱动幅度的精准控制。

然而必须要明确的是，在现有技术中，控制电路所谓的控制驱动幅度实际上只是控制电信号的幅度，对于mems陀螺仪来说，该电信号的幅度正比于机械振动的幅度与驱动检测电极电容变化率的乘积：

vdr∝ddr×c1ds

式中，vdr为驱动检测电极所产生的电信号的幅度，ddr为驱动质量块的机械运动幅度，c1ds为驱动检测电极的电容变化率。对于间隙为d的梳齿状驱动检测电极，其电容变化率为：

式中，n为驱动检测电极的梳齿对数，ε0为真空介电常数，h为梳齿厚度，d为相邻梳齿的间隙。对于同一颗mems陀螺仪，在理想情况下，可以认为其驱动检测电极的电容变化率不随时间变化，电信号的幅度一致性可以等效于机械振动幅度的一致性。

但在现有工艺条件下，即使是同一晶圆片，不同位置的器件的关键尺寸也会存在着明显的差异。图1是在一8英寸的晶圆片上生产的22000颗mems陀螺仪的驱动检测电极间隙的测量值的分布图，原始设计值为2um，而实际上该间隙分布在1.85～2.15um之间。

根据以上讨论，即使控制电路可以通过反馈控制质量块运动产生的电信号幅度完全相同，由于电容变化率的差异，实际的机械驱动幅度最大可相差15％左右，因为科氏力的大小是与质量块的机械驱动幅度成正比的，所以不同陀螺仪的灵敏度也会存在差异。目前常用的解决方法是通过出厂前的校准调整控制电路的检测回路的增益来保证不同芯片的灵敏度的一致性，但是检测回路增益的不同使得不同芯片在噪声密度、零偏稳定性及温漂特性等方面存在显著的个体差异。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种mems陀螺仪驱动幅度校正装置，其包括：

c/v转换器，所述c/v转换器的输入端与所述mems陀螺仪的驱动检测端相连接；

测量模块，所述测量模块用于输出其输入端电信号的频率表示信号、幅度表示信号和相位表示信号，所述测量模块的输入端与所述c/v转换器的输出端相连接；

校正模块，所述校正模块用于接收所述幅度表示信号和所述频率表示信号，并根据所述幅度表示信号和所述频率表示信号输出经校正的幅度表示信号；

输出模块，所述输出模块用于接收所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号，并根据所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号输出驱动信号，所述输出模块的输出端与所述mems陀螺仪的驱动输入端相连接。

进一步地，所述校正模块包括校正系数产生模块和幅度校正模块，所述校正系数产生模块根据所述频率表示信号输出校正系数，所述幅度校正模块根据所述幅度表示信号和所述校正系数输出所述经校正的幅度表示信号。

进一步地，所述校正模块还包括校正系数存储模块，所述校正系数存储模块用于存储所述校正系数，以及将所述校正系数提供给所述幅度校正模块。

进一步地，所述校正系数产生模块包括启用状态和停用状态，当所述校正系数产生模块处于停用状态时，所述校正系数存储模块向所述幅度校正模块提供固定的校正系数。

进一步地，所述校正模块还预设有参考频率，所述校正系数产生模块根据所述频率表示信号和所述参考频率输出所述校正系数。

进一步地，所述校正系数的计算公式为：

其中，r是所述校正系数，k是与所述mems陀螺仪的机械结构相关的比例因子，f是所述频率表示信号所对应的频率，f0是所述参考频率。

进一步地，所述幅度校正模块为乘法器。

本发明还提供了一种mems陀螺仪驱动幅度校正装置，其包括：

c/v转换模块，所述c/v转换模块的输入端与所述mems陀螺仪的驱动检测端和检测端相连接，并根据来自所述驱动检测端和所述检测端的信号分别输出第一输出信号和第二输出信号；

测量模块，所述测量模块用于接收所述第一输出信号和所述第二输出信号，并根据所述第一输出信号输出幅度表示信号和相位表示信号，根据所述第二输出信号输出频率表示信号；

校正模块，所述校正模块用于接收所述幅度表示信号和所述频率表示信号，并根据所述幅度表示信号和所述频率表示信号输出经校正的幅度表示信号；

输出模块，所述输出模块用于接收所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号，并根据所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号输出驱动信号，所述输出模块的输出端与所述mems陀螺仪的驱动输入端相连接。

进一步地，所述c/v转换模块采用一c/v转换器，所述c/v转换器的输入端与所述驱动检测端和所述检测端相连接，并根据来自所述驱动检测端和所述检测端的信号通过分时复用方式分别输出所述第一输出信号和所述第二输出信号；或者

所述c/v转换模块包括第一c/v转换器和第二c/v转换器，所述第一c/v转换器的输入端与所述驱动检测端相连接，并根据来自所述驱动检测端的信号输出所述第一输出信号；所述第二c/v转换器的输入端与所述检测端相连接，并根据来自所述检测端的信号输出所述第二输出信号。

进一步地，所述检测端包括第一检测端和第二检测端，所述第一检测端连接所述c/v转换模块，在所述第二检测端施加激励信号。

本发明还提供了一种mems陀螺仪驱动幅度校正方法，其通过所述mems陀螺仪的驱动检测信号或检测信号的频率来校正驱动幅度。

本发明的mems陀螺仪驱动幅度校正装置及方法的原理在于，通过微机械加工工艺批量生产的mems陀螺仪，在晶圆片上不同区域的结构其关键尺寸存在差异，导致不同区域的电极的电容变化率不一致，造成驱动幅度检测的误差。由于mems陀螺仪的尺寸小，其电容的量级通常在ff或者pf量级，而其机械振动的幅度一般在微米量级，所以对电容变化率的直接测量几乎不可能。但在相同或者相近位置处mems陀螺仪中谐振系统所采用的弹簧，其特征尺寸和电容梳齿的特征尺寸具有相关性，它们分别决定了弹簧刚度和驱动检测电极的电容变化率，在质量块质量不变的情况下，系统的谐振频率由弹簧刚度决定，因此可以通过系统的谐振频率对驱动幅度进行校正消除不同芯片间电容变化率不同带来的影响。更重要的是，在微机械结构中，测量谐振频率比测量电容变化率要简单并且精确得多。因此本发明提出了通过mems陀螺仪的谐振频率来校正驱动幅度的装置及方法，可大幅度校正由关键尺寸差异造成的电学测量误差，提高批量生产的mems陀螺仪的机械驱动幅度的一致性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有的一晶圆中所有mems陀螺仪的驱动检测电极间隙实测值分布图；

图2是本发明的一个实施例的系统框架示意图；

图3是本发明的另一个实施例的系统框架示意图。

具体实施方式

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。

实施例一

图2示出了本发明的一个实施例的系统框架示意图，其中，mems陀螺仪100和驱动幅度校正装置200相连接。

mems陀螺仪100包括驱动输入端dr+和dr-、驱动检测端ds+和ds-、检测端s+和s-。驱动检测端ds+、ds-与驱动幅度校正装置200的输入端相连接，驱动幅度校正装置200的输出端与驱动输入端dr+、dr-相连接。

驱动幅度校正装置200包括c/v转换器210、测量模块220、校正模块230和输出模块240。

c/v转换器210的输入端与mems陀螺仪100的驱动检测端ds+、ds-相连接，用于将驱动检测端ds+、ds-的电容变化转换为电压信号。

测量模块220的输入端与c/v转换器210的输出端相连接，用于输出其输入端电信号的频率表示信号、幅度表示信号和相位表示信号。

校正模块230接收测量模块220输出的幅度表示信号和频率表示信号，并根据上述幅度表示信号和频率表示信号输出经校正的幅度表示信号。

输出模块240接收测量模块220输出的相位表示信号和校正模块230输出的经校正的幅度表示信号，并根据上述相位表示信号和经校正的幅度表示信号输出驱动信号，并提供给mems陀螺仪100的驱动输入端dr+、dr-，以保持mems陀螺仪100的可动质量块在驱动方向上的运动幅度稳定。

校正模块230包括校正系数产生模块231、幅度校正模块232、校正系数存储模块233。

校正系数产生模块231接收测量模块220输出的频率表示信号，并根据上述频率表示信号以及预设的参考频率f0输出校正系数。本实施例中，校正系数r的计算公式如下：

其中，k是与mems陀螺仪100的机械结构相关的比例因子，取值范围在0.1～10之间，f为校正系数产生模块231接收到的频率表示信号所对应的频率，f0为预设的参考频率。

幅度校正模块232接收测量模块220输出的幅度表示信号，并根据上述幅度表示信号和校正系数输出经校正的幅度表示信号，并提供给输出模块240。

本实施例中，幅度校正模块232为乘法器。

在一些实施例中，校正系数产生模块231直接与幅度校正模块232相连接，即是将输出的校正系数直接提供给幅度校正模块232。

本实施例中，还设置有校正系数存储模块233，校正系数存储模块233用于存储校正系数产生模块231输出的校正系数，以及将校正系数提供给幅度校正模块232。

本实施例的校正系数产生模块231具有开关结构，通过开关结构可以控制校正系数产生模块231工作与否(启用或停用)，当校正系数产生模块231停用时，校正系数存储模块233将之前已存储的一固定的校正系数(如最近一次更新的校正系数)提供给幅度校正模块232，用于对幅度表示信号进行校正。

以下对本实施的工作方式做进一步说明。

将驱动激励施加到mems陀螺仪100的驱动输入端dr+、dr-上，以驱动mems陀螺仪100的可动质量块沿驱动方向振动，可动质量块的振动使其与驱动检测电极的正对面积变化，即驱动检测电容变化，该变化从驱动检测端ds+、ds-测得，经c/v转换器210转化为电压信号。

在本实施例中，上述驱动激励为方波或正弦波中的任意一种，理论上在开始阶段施加方波比施加正弦波的起振速度更快，除此之外两者并没有明显区别，可以根据实际情况灵活选择。

当系统的振动状态达到预设条件时，如连续测得的谐振频率的相对变化小于预设值(如小于0.5％)，或者连续测得的幅度的相对变化小于预设值(如小于2％)，校正系数产生模块231开始根据由测量模块220提供谐振频率f1以及内置的参考频率f0产生校正系数r，计算公式如下：

其中，k是与mems陀螺仪100的机械结构相关的比例因子，取值范围在0.1～10之间。本实施例中，参考频率f0通过仿真驱动回路的谐振系统得到。

当校正系数产生模块231在启用状态时，其根据测量模块220提供的谐振频率f1，实时地产生校正系数，并提供给校正系数存储模块233。在另一些实施例中，校正系数也被直接提供给幅度校正模块232。本实施例中，产生的校正系数经校正系数存储模块233再提供给幅度校正模块232。

事实上在稳定的外界环境下上述的谐振频率f1十分稳定，基本不随时间变化，因此对校正系数产生模块231使用开关结构进行启停。当校正系数产生模块231在停用状态时，校正系数存储模块233将已存储的校正系数以固定值的形式提供给幅度校正模块232，用于对幅度表示信号进行校正。实际应用中，可以在对mems陀螺仪100进行校准或标定时才启用校正系数产生模块231，在完成校准或标定后，可以停用校正系数产生模块231，采用固定的校正系数用于校正幅度表示信号，从而节约能耗。

校正系数存储模块233根据接收到的校正系数和测量模块220提供的幅度表示信号，将幅度表示信号和校正系数相乘后输出经校正的幅度表示信号，并提供给输出模块240。

输出模块240接收经校正的幅度表示信号和测量模块220提供的相位表示信号产生驱动信号，该驱动信号被施加到mems陀螺仪100的驱动输入端dr+、dr-，以维持可动质量块在驱动方向上继续振动。

实施例二

图3示出了本发明的另一个实施例的系统框架示意图，其中，mems陀螺仪100和驱动幅度校正装置300相连接。

mems陀螺仪100包括驱动输入端dr+和dr-、驱动检测端ds+和ds-、检测端s+和s-。驱动检测端ds+、ds-和检测端s+与驱动幅度校正装置300的输入端相连接，驱动幅度校正装置300的输出端与驱动输入端dr+、dr-相连接。

驱动幅度校正装置300包括c/v转换模块310、测量模块320、校正模块330和输出模块340。

c/v转换模块310的输入端与mems陀螺仪100的驱动检测端ds+、ds-和检测端s+相连接，用于将驱动检测端ds+、ds-的电容变化转换为电压信号，以及将检测端s+的电容变化转换为电压信号。

本实施例中，c/v转换模块310包括c/v转换器311和c/v转换器312；c/v转换器311的输入端与驱动检测端ds+、ds-相连接，并将驱动检测端ds+、ds-的电容变化转换为电压信号；c/v转换器312的输入端与检测端s+相连接，并将检测端s+的电容变化转换为电压信号。

在另一些实施例中，c/v转换模块310采用一个c/v转换器，通过分时复用的方式分别将驱动检测端ds+、ds-和检测端s+的电容变化转换为电压信号。

测量模块320的输入端与c/v转换模块310的输出端相连接，并根据c/v转换器311的输出信号输出其幅度表示信号和相位表示信号，根据c/v转换器312的输出信号输出其频率表示信号。

校正模块330接收测量模块320输出的幅度表示信号和频率表示信号，并根据上述幅度表示信号和频率表示信号输出经校正的幅度表示信号。

输出模块340接收测量模块320输出的相位表示信号和校正模块330输出的经校正的幅度表示信号，并根据上述相位表示信号和经校正的幅度表示信号输出驱动信号，并提供给mems陀螺仪100的驱动输入端dr+、dr-，以保持mems陀螺仪100的可动质量块在驱动方向上的运动幅度稳定。

校正模块330包括校正系数产生模块331、幅度校正模块332、校正系数存储模块333。

校正系数产生模块331接收测量模块320输出的频率表示信号，并根据上述频率表示信号以及预设的参考频率f0输出校正系数。本实施例中，校正系数的计算公式与实施例一中的相同。

幅度校正模块332接收测量模块320输出的幅度表示信号，并根据上述幅度表示信号和校正系数输出经校正的幅度表示信号，并提供给输出模块340。

本实施例中，幅度校正模块332为乘法器。

在一些实施例中，校正系数产生模块331直接与幅度校正模块332相连接，即是将输出的校正系数直接提供给幅度校正模块332。

本实施例中，还设置有校正系数存储模块333，校正系数存储模块333用于存储校正系数产生模块331输出的校正系数，以及将校正系数提供给幅度校正模块332。

本实施例的校正系数产生模块331具有开关结构，通过开关结构可以控制校正系数产生模块331工作与否(启用或停用)，当校正系数产生模块331停用时，校正系数存储模块333将之前已存储的一固定的校正系数(如最近一次更新的校正系数)提供给幅度校正模块332，用于对幅度表示信号进行校正。

以下对本实施的工作方式做进一步说明。

将驱动激励施加到mems陀螺仪100的驱动输入端dr+、dr-上，以驱动mems陀螺仪100的可动质量块沿驱动方向振动，可动质量块的振动使其与驱动检测电极的正对面积变化，即驱动检测电容变化，该变化从驱动检测端ds+、ds-测得，经c/v转换器311转化为电压信号。

将一激励信号施加到mems陀螺仪100的检测端s-的一端，以驱动mems陀螺仪100的可动质量块同时也沿检测方向振动，可动质量块的振动使其与检测电极的正对面积变化，即检测电容变化，该变化从检测端s-测得，经c/v转换器312转化为电压信号。在本实施例中，检测回路的频率是通过“单端测量”的方式获得的，所谓单端测量即在检测电极的一端(检测端s-)施加激励信号，测量检测电极另一端(检测端s+)的输出。

在本实施例中，上述驱动激励为方波或正弦波中的任意一种，理论上在开始阶段施加方波比施加正弦波的起振速度更快，除此之外两者并没有明显区别，可以根据实际情况灵活选择。上述激励信号为扫频信号或脉冲信号。

当系统的振动状态达到预设条件时，校正系数产生模块331开始根据由测量模块320提供的谐振频率f2以及内置的参考频率f0产生校正系数r，计算公式如下：

其中，k是与mems陀螺仪100的机械结构相关的比例因子，取值范围在0.1～10之间。

本实施例与实施例一的主要区别点在于，实施例一采用驱动回路中的谐振频率f1来产生校正系数以校正驱动幅度，而本实施例采用检测回路中的谐振频率f2来产生校正系数以校正驱动幅度。对于上述的预设条件，由于在检测端s-上施加扫频信号或脉冲信号并不能使可动质量块在检测方向上处于稳定的等幅振动状态，因此以连续测得的谐振频率f2的相对变化小于预设值(如小于0.5％)作为预设条件。

本实施例中，参考频率f0通过相同工艺线的现有产品的实测值得到，如针对图1中涉及的mems陀螺仪，可采用图1中所对应的8英寸晶圆片上所有的mems陀螺仪的检测回路的谐振频率的平均值作为参考频率f0。

当校正系数产生模块331在启用状态时，其根据测量模块320提供的谐振频率f2，实时地产生校正系数，并提供给校正系数存储模块333。在另一些实施例中，校正系数也被直接提供给幅度校正模块332。本实施例中，产生的校正系数经校正系数存储模块333再提供给幅度校正模块332。

与前述中类似地，谐振频率f2在稳定的外界环境下同样十分稳定，基本不随时间变化，因此对校正系数产生模块331使用开关结构进行启停。当校正系数产生模块331在停用状态时，校正系数存储模块333将已存储的校正系数以固定值的形式提供给幅度校正模块332，用于对幅度表示信号进行校正。实际应用中，可以在对mems陀螺仪100进行校准或标定时才启用校正系数产生模块331，在完成校准或标定后，可以停用校正系数产生模块331，采用固定的校正系数用于校正幅度表示信号，从而节约能耗。

校正系数存储模块333根据接收到的校正系数和测量模块320提供的幅度表示信号，将幅度表示信号和校正系数相乘后输出经校正的幅度表示信号，并提供给输出模块340。

输出模块340接收经校正的幅度表示信号和测量模块320提供的相位表示信号产生驱动信号，该驱动信号被施加到mems陀螺仪100的驱动输入端dr+、dr-，以维持可动质量块在驱动方向上继续振动。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。