频率读出陀螺仪的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年12月12日提交的申请号为61/736, 040的美国临时专利申请 的优先权，在此通过引用将其全部内容并入本文。本申请还要求2013年2月21日提交的申 请号为61/767, 643的美国临时专利申请的优先权，在此通过引用将其全部内容并入本文。
[0003] 关于联邦政府资助的声明
[0004] 本发明是在政府支持的国防高级研宄计划局（DARPA)授予的编号为 W31P4Q-12-1-0001的合同下进行的。政府在本发明中具有一定权利。
[0005] 通过引用并入的以计算机程序附件提交的资料 [0006] 不适用
[0007] 受到版权保护的资料的公告
[0008] 按照美国和其它国家的版权法，本专利文件中的部分资料受版权保护。版权拥有 者不反对任何人对专利文件或专利公开的拓制，因为该受版权保护的资料出现在了美国专 利商标局公开的可用文件或记录中，但是，版权拥有者保留除此以外的所有版权。版权拥有 者不放弃任何将本专利文件当作秘密的权利，包括在不依照美国联邦法规第37辑第1. 14 条限制其权利的情况下。
技术领域
[0009] 本发明一般地涉及振动陀螺仪，尤其是涉及低功率和低漂移的MEMS陀螺仪。
【背景技术】
[0010] 惯性导航系统（INS)能够在无需外部参照的情况下（即，通过'航位推测法'）确 定移动物体的速度、位置和方向。术语'航位推测法'（DR)，也被称为估计推算法（deduced reckoning，缩写为'ded'），是根据之前确定的位置或定位点（fix)计算当前位置、以及基 于对速度和方向的估计来推进该位置的进程。惯性导航系统依赖于对运动传感器（加速度 计）和旋转传感器（陀螺仪）的输入进行处理从而对移动物体的位置、方向和速度进行持 续更新的计算机。
[0011] MEMS技术提供了相对较小的和便宜的惯性传感器，它们广泛地使用于各种应用 中，包括例如撞车检测和动态车辆控制、顾客游戏设备中的运动感测、照相机图像稳定。但 是，当前可用的设备的性能限制普遍妨碍了它们在许多有吸引力的领域（比如GPS辅助或 航位推测导航）中的广泛采纳。现在的MEMS陀螺仪的高功率消耗限制了在电池供电设备 (例如智能手机）中的应用，同时性能问题（例如高漂移）限制了导航的应用。
[0012] 现在技术水平的MEMS陀螺仪基于在检验质量块的一个或多个方向（称为驱动轴） 上激发高振幅振动而运转。根据检验质量块在一个或多个正交方向（通常称为传感轴）上 的运动来推导出角速率。由于一个或多个传感方向上的运动的振幅在数量级上小于一个或 多个驱动方向上的运动的振幅，这使得需要在传感读出电路中使用功耗大的低噪声放大。
[0013] 相应地，存在对于能够克服先前的陀螺仪方式的缺点的低功率和低漂移的MEMS 陀螺仪的需求。
【发明内容】
[0014] 描述了一种用于检测旋转速率从而提供频率读出陀螺仪的方法和系统。通过弹簧 悬挂检验质量块，并且检验质量块能够沿着两个相互正交的轴或环、半球体、或类似的连续 结构自由移动，该连续结构能够在至少两个相互正交或独立的模式或轴中自由振动。质量 块的振动可同时发生在两个轴上，各自的频率是由每个轴的固有频率确定的，同时每个振 动的速度振幅优选的是恒定的并且相等。一个轴的固有频率是通过该轴的机械刚度和该轴 承担的质量以及调谐输入造成的人工刚度的影响所设定的。随后通过这两个轴振荡频率中 的一个或两者的测量结果来推断角速率。
[0015] 本发明的其它方面将会从下面的说明书的各个部分中展现，其中的详细描述是为 了完整地披露本发明的优选实施例，而不是对其设置任何限制。
【附图说明】
[0016] 通过参照下面的附图将会更完整地理解本发明，这些附图只是用于示例性目的：
[0017] 图1是根据本发明的一个实施例的直接频率读出陀螺仪的示意图。
[0018] 图2是根据本发明的一个实施例的以QFM模式运行的陀螺仪的检验质量块的X和 y位移的曲线图。
[0019] 图3是根据本发明的一个实施例的具有QFM和LFM运行模式的传感器的布局。
[0020] 图4是根据本发明的一个实施例使用的图3的传感器中的梳状驱动器和平行板调 谐结构的布局。
[0021] 图5是根据本发明的一个实施例使用的图3的传感器中的折叠弹簧结构的布局。
[0022] 图6是根据本发明的一个实施例的以QFM模式运行的陀螺仪的检验质量块在x-y 平面中的轨迹的曲线图。
[0023] 图7是根据本发明的一个实施例的以LFM模式运行的陀螺仪的检验质量块在x-y 平面中的轨迹的曲线图。
[0024] 图8是根据本发明的一个实施例的QFM陀螺仪的方框图。
[0025] 图9A和图9B是根据本发明的至少一个实施例使用的振荡器的符号和不意图。
[0026] 图IOA和图IOB是根据本发明的至少一个实施例使用的相位检测器-控制器的符 号和示意图。
[0027] 图IlA和图IlB是根据本发明的至少一个实施例使用的频率解调器的符号和示意 图。
[0028] 图12A和图12B是根据本发明的一个实施例的双陀螺仪QFM系统的方框图。
[0029] 图13A和图13B是根据本发明的一个实施例的具有比率积分读出的双陀螺仪QFM 系统的方框图。
[0030] 图14A和图14B是根据本发明的至少一个实施例使用的用于图13B的双陀螺仪的 角度读出的相位解调器的符号和方框图。
[0031] 图15是根据本发明的一个实施例的LFM陀螺仪的方框图。
[0032] 图16A和图16B是根据本发明的至少一个实施例使用的分频控制器的符号和方框 图。
[0033] 图17A和图17B是根据本发明的至少一个实施例使用的LFM解调器的符号和方框 图。
[0034] 图18是根据本发明的一个实施例的3轴单检验质量块LFM陀螺仪的方框图。
[0035] 图19是对来自根据本发明的一个实施例的3轴LFM陀螺仪的速率进行解调的读 出系统的方框图。
[0036] 图20是根据本发明的一个实施例的陀螺仪的方框图，该陀螺仪结合了 QFM和LFM 陀螺仪的输出以提供高精度速率测量。
[0037] 图21是根据本发明的一个实施例的用于组合QFM和LFM陀螺仪的电路的方框图。
【具体实施方式】
[0038] 1.概述
[0039] 图1示出了直接频率读出陀螺仪的一个实施例10。展示的陀螺仪系统10具有机 械谐振器元件12,机械谐振器元件12具有感测和致动装置14和16。展示的调谐装置18 用于对谐振器的固有频率进行调整。展示的持续电路20用于在谐振器固有频率上或附近 机械地激发谐振器并克服谐振器阻尼。展示的相位和频率控制电路22用于对每个模式的 固有频率进行控制。输出电路24将来自陀螺仪的原始数据转换为速率信号26以供用户应 用电路使用。本发明可提供若干不同的运行方法，包括但不限于正交频率调制（QFM)陀螺 仪、双正交频率调制（DQFM)陀螺仪、以及Lissajous频率调制（LFM)陀螺仪。
[0040] 图2示出了本发明的位移振动信号，其中振动频率响应于角速率输入信号而变 化，同时振幅保持恒定。与之相对的是，在现有技术方案中，振动的振幅响应于角速率输入 而变化。
[0041] 1. 1具有感测、致动和调谐装置的谐振器。
[0042] 本发明使用了具有与科里奥利效应耦合的至少两个模式的振动的机械谐振器 (图1中的谐振器12)。展示的谐振器12具有沿着X和y方向的两个模式的振动。振动模 式被定义为谐振器的任何数量的独立机械变形，其中可将总变形量描述为各单独模式的变 形量的和。可将变形理解为这样的连续向量场，其将谐振器的每个点的机械位移描述为该 点的位置在三维空间中的函数。总的来说，可将变形视为是随时间变化的。在特定振动模式 中受强迫变形致动的谐振器会存储相应的量的应变能。当释放时，谐振器将会试图耗散该 应变能。对于无损耗谐振器，该行动的结果是谐振器在该特定振动模式中的正弦振动。用 于完成一个振动周期的时间的倒数被称为该振动模式的固有频率。位移振动的振幅或包络 被定义为变形的波腹处的峰-峰位移的一半。波腹是特定振动模式的最大变形位置。振动 的速度的振幅等于振荡频率乘以位移振动的振幅。
[0043] 为了使得谐振器对速率敏感，必须将各模式与科里奥利效应耦合。科里奥利效应 是在旋转坐标系（rotating frame)中观察到的效应，其中来自谐振器的一个模式的能量被 耦合到谐振器的另一个模式中，例如从X轴到y轴，或者在正交的模式之间耦合，包括从振 动的第一模式到振动的第二模式。有时，耦合了科里奥利效应的模式将会被称为轴并给予 与它们在旋转坐标系中的振动方向相对应的名称，例如X轴。旋转坐标系是谐振器观察者 所理解的以与谐振器相同的速率旋转的参考坐标系。通常的机械谐振器包括钟摆、集中质 量弹簧系统、环体、圆盘、和半球体。
[0044] 有时可以通过在使用特定运行模式时检验质量块所跟随的轨迹来描述运行方法。 对于钟摆或集中质量弹簧系统，可以仅字面上地解释这些描述，但是对于环体、圆盘、半球 体的扩展，这些描述可理解为各模式的独立振动的组合。例如，以45度角度摆动的钟摆对 应于两个正交模式上的等幅同相振动。圆形图案对应于具有90度恒定相差的两个正交模 式的等幅振荡。
[0045] 谐振器必须具有将每个振动模式的机械变形转换为电信号（感测）和将电信号转 换为机械变形（致动）的装置。这通常是通过多个额外的电极形成谐振器的平行板电容器 或梳状电容器而静电地实现的。其它的换能方式包括压电的、磁性的、或光学的耦合。
[0046] 在至少一个优选实施例中，谐振器关于科里奥利耦合的振动模式对称。相应地，每 个科里奥利耦合的振动模式优选地被配置相同的感测和致动方式，并且各振动模式的固有 频率是严密匹配的。优选的是，各固有频率匹配到处于固有频率标称值的10 %的范围内，更 优选的是匹配到处于固有频率标称值的1 %或更小的范围内。例如，机械谐振器优选的是具 有匹配到处于固有频率标称值的10% (或者更优选的是1%)的范围内的X轴和y轴固有 频率，并且每个轴的感测和致动方式是相同的。
[0047] 图3示出了集中质量弹簧谐振器30,其具有两个主要振动模式。结构30具有中心 检验质量块32,其在区域34处锚定（例如锚定到底层衬底上）。因此，中心检验质量块32 被配置为沿着X和y方向振动。可使用X轴梳状驱动器36和 y轴梳状驱动器38对检验质 量块的运动进行致动和感测。梳状驱动器被设计为通过驻留在它们的自身框架（其通过退 耦弹簧42与正交方向隔离）中而只对检验质量块一个方向的运动进行响应。展示了用于 X轴的弹簧44和用于y轴的弹簧46。一组X轴平行板调谐电极48和y轴平行板调谐电极 49使得能够对陀螺仪机械频率进行静电修改。
[0048] 图4描绘了图3的梳状驱动器36的局部放大视图。
[0049] 图5描绘了图3的退耦弹簧42的局部放大视图。
[0050] 对于图3的谐振器，认为检验质量块32为质量m，其与具有刚度匕的X轴弹簧 组合44和具有刚度k y的y轴弹簧组合46 -起定义了每个轴的机械频率，即〇%?=#* 7m和
。为了简化说明，图2只引用了这些弹簧组合44和46中的一组，尽管在图中可以 看到在X和y轴中的其它多个组。
[0051] 一组X轴平行板调谐电极48和y轴平行板调谐电极49被配置为使得能够对陀螺 仪机械频率进行静电修改。随后，通过机械质量块、弹簧和电调谐信号来影响优选的实施例 中的陀螺仪的固有频率。将固有频率表示为《^和ω q。将固有频率定义为在没有角速率 和阻尼的情况下每个振动模式的谐振频率。如果各振动模式的固有频率相等，则认为谐振 器是模式匹配的。
[0052] 将上述描述扩展到三个轴，在图3中可以看到，除了 X和y方向，三自由度检验质 量块还能够在Z方向上自由移动。Z方向上的弹簧定义了 Z轴机械频率Omz和额外的一对 能够对Z轴位移进行控制和感测的梳状和平行板电极。同样，至少一个实施例会包括Z轴 调谐电极，从而使得能够对Z轴固有频率进行控制。由机械质量块和弹簧以及电调谐信号 确定的Z轴固有频率被表示为。将变换器10扩展到第三轴优选地包括有目的地通过 例如减小检验质量块的厚度来减小Z轴的刚度。在至少一个实施例中，这些Z轴元件将会 被集成到除了图3中所展示的层以外的另一个层中，例如包括位于检验质量块与检验质量 块之上或之下的相应极板之间的平行板电极。这些电极将起到驱动、感测和调谐电极的作 用。
[0053] 应当理解是，由于空气阻力、锚损失、材料的热弹性性质的组合影响，每个变换器 轴还经历了不希望的机械阻尼。在二自由度谐振器中，以cdP C y来表示X和y轴上的阻尼。 与质量块结合的阻尼器将每个轴的机械结束时间常数分别确定为Tx= 2m/c JP τ y= 2m/ cy。可将该结束时间等价地表示为频域中的谐振器带宽，其中βχ= 1/τ χ，0y= l/τ y。在 三自由度谐振器中，存在额外的z轴阻尼器cz，其定义了变换器谐振带宽β z= c z(2m)'
[0054] 此外，所考虑的机械元件是寄生弹簧和阻尼器，它们将一个方向中的运动耦合到 另一个正交方向中。例如，在二自由度变换器中，存在不希望的从X轴运动到y轴运动的耦 合。该运动的一部分归结于弹簧k"，一部分归结于阻尼器C xy。当X方向中发生位移时，弹 簧使得力kxyX而阻尼器使得力cxy i (其中文表示X对于时间的导数）在y方向中作用于 检验质量块上。相同的陈述适用于X和y轴的角色逆转的情况。将弹簧等价地表示为频率
，将阻尼器等价地表示为带宽Pxy=C xyOm)'同样，在三自由度谐振器中，存 在由0yz、βχζ、wyz、ωχζ表