检测方向与参考轴倾斜的多轴MEMS陀螺仪及其读出电路制造技术

检测方向与参考轴倾斜的多轴MEMS陀螺仪及其读出电路，所述多轴陀螺仪具有微电子机械结构(10)，所述微电子机械结构(10)具有参考轴(x，y)，沿着参考轴要检测的角速度(Ωx，Ωy)起作用，还具有检测元件(22a-22d)，它们在相应检测方向(x1，x2)敏感，并产生作为所述角速度在所述检测方向的投影的函数的相应检测量；所述读出电路产生电子输出信号(OUT)，每一个信号与所述角速度中相应的一个相关，并作为所述检测量的函数。组合级(32，32’)相对彼此电组合与检测量相关的电量，所述检测量由对于相互不同的检测方向敏感的检测元件生成，以便考虑所述检测方向相对于所述参考轴的非零倾斜角(Φ)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于检测方向相对参考轴倾斜的多轴MEMS陀螺仪的读出电路，并涉及相应的多轴MEMS陀螺仪。
技术介绍
众所周知，微机械加工技术能使微电子机械结构或系统(MEMS)的制造在半导体材料层中进行，该半导体材料层沉积(如多晶硅层)或生长(如外延层)在牺牲层上，牺牲层可以通过化学蚀刻去除。使用这一技术制造的惯性传感器，如加速度计和陀螺仪，在例如汽车领域，在惯性导航或在便携设备方面越来越成功。特别的是，使用MEMS技术由半导体材料制成的集成陀螺仪已被熟知。这些陀螺仪以相对加速度理论为基础进行操作，采用科里奥利(Coriolis)加速度。当角速度被施加到由线速度驱动的移动块时，移动块“感觉到”表观力(apparentforce)，称为“科里奥利力”，其确定沿垂直于线性速度的方向并垂直于施加角速度所围绕的轴的方向上的位移。移动块通过弹簧支持，弹簧使移动块的位移在表观力的方向上。根据虎克(Hooke)定律，位移与表观力成比例，因此，从移动块的位移，能够检测科里奥利力和生成它的角速度的值。例如以电容的方式，通过在共振的情况下确定由于移动电极的运动引起的电容的变化(或，同样地，电荷量的变化)，检测移动块的位移，移动电极相对移动块固定(或由移动块自身构成)并被耦合到固定电极。MSM陀螺仪具有大体对称的传感结构，包括用于每个参考轴的一对传感块，围绕所述参考轴的相应角速度被检测，传感块在检测方向上(一般与相应参考轴一致)相互对齐排列。读出电路因此一般采用微分方案，其基于与每一对传感块相关联的微分电容的变化。然而实际上，科里奥利力在相反的方向上往往是失衡的，并且基本上每对传感块失衡相同的量(生成所谓的“反相”运动)，外部噪声加速度确定其位移，该位移在相同的方向并再次是相同的量(生成所谓的“同相”运动)。通过计算与每对的两个传感块相关联的电信号的差，因此理想地上能够隔离和测量仅由科里奥利力产生的贡献，并完全排除噪声的贡献。例如，双轴的MEMS电容陀螺仪检测沿着俯仰(pitch)参考轴(下文中用x表示)的第一角速度，及沿着翻滚(roll)参考轴(下文中用y表示)的第二角速度。通过应用科里奥利定律，能获得如下表达式：其中Mc是作用在传感块上的科里奥利力的力矩(随后将进行的更详细的描述，传感块执行离开传感器平面的旋转检测运动)，J是相同传感块的惯性力矩，Ωx和Ωy是围绕相应参考轴而作用的未知俯仰和翻滚角速度，且ωz是沿着竖轴z(垂直于传感器平面)的驱动角速度，同时是用于控制电子机械驱动回路的变量，其中传感器的MEMS结构形成电子机械驱动回路的整体部分(驱动角速度在上述表达式中还充当常数比例因子(scale factor))。特别的是，这个驱动回路是由集成电路形成，所述集成电路专用于生成和维持驱-->动块以驱动角速度ωz和共振频率的振荡运动，传感块机械耦合到驱动块。陀螺仪的读出电路，在例如本申请人的专利申请EP-A-1 962 054和EP-A-1624 286中进行了描述，被配置为，通过与俯仰或翻滚传感块相关联的微分电容变化，在是俯仰的情况下读取与矢量积Ωx∧ωz成比例的信号，或者在翻滚的情况下读取与矢量积Ωy∧ωz成比例的信号，所述信号是DSB-SC(双边带抑制载波(Dual Side Band-Suppressed Carrier))类型，即调幅的，载波由驱动角速度ωz给出，这是由于在共振频率的结构驱动。随后，通过相干解调，所述信号首先进入基带然后被适当地过滤，在输出获得电信号(特别是，电压信号)，所述电信号只与未知量(即俯仰角速度Ωx或翻滚角速度Ωy)成比例。更详细的描述如图1所示，读出电路，被标示为1，具有两个不同的转导链(transduction chain)，第一转导链，标示为1a，用于检测俯仰角速度Ωx，第二转导链，标示为1b，用于检测翻滚角速度Ωy。同样的在图1中给出所有的传感块公有的移动(或转子(rotor))电极Rot的接触，与俯仰传感块对相关联的固定(或定子(stator))电极P1、P2的接触，及与翻滚传感块对相关联的固定电极R1、R2的接触(以及对应的电容器对，具有以微分方式变化的电容)。特别的是，图1示出了单个固定电极与每个传感块相关联的情况。进一步的，激励信号，例如电压阶跃(voltage step)ΔVs，将在读取操作期间施加到移动电极Rot。每个转导链1a，1b，都是完全微分类型的，并使用开关电容器(SC)技术生成，其包括：-电荷放大器2，即，电荷/电压转换器，设计为最小化噪声影响，并设计成将在输入接收的微分电容变化(由于移动电极相对固定电极的位移)转换为完全微分类型的电压变化信号，这个信号是由于以驱动块的共振频率驱动的DSB-SC类型的信号；电荷放大器2具有用于该目的的连接到传感块的相应固定电极P1、P2的正输入和负输入；-解调器(或混频器)4，级联(cascade)到电荷放大器2并与之形成用于转导链的DSB-SC类型信号的测量链，它被设计成实施DSB-SC类型的调幅信号的相干解调；特别的是，通过与信号的载波(驱动角速度ωz)(之前被处理以最小化它的相位延迟)同相的时钟信号CK，获得相干解调以便将输出信号(再次是完全微分类型)带入基带，并排除叠加在相同信号上的伪成分(其具有相同的载波频率，但是相对于信息成分相位偏离了90度的角度)；-采样及保持级6，其被级联到解调器4，并利用开关电容器(SC)技术设计，其目的是将完全微分解调信号转变(transform)为单端信号；及-滤波级8，其被级联到采样及保持级6以形成用于转导链的基带信号的测量链，并被设计为实现二阶低通滤波器的转移函数(transfer function)，以便排除落在关注的信号带(通常是直到140Hz)以外的全部不想要的成分，其中作为相干解调结果的已知成分处于共振频率(也称为剩余偏移(residual offset))和等于两倍共振频率的频率，并在被特意提供的输出电极9a，9b上在输出提供有用的模拟信号OUT(俯仰的或者翻滚的)；输出信号包含被MEMS电容陀螺仪检测的俯仰或翻滚角速度的所希望的信息。然而，本申请人已经发现前面描述的读出电路在下面的情形中是不可用的，即当多轴陀螺仪具有的检测方向与它的参考轴不一致时，比如相对于参考轴倾斜了给定的角-->度。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种读出电路，其能够在传感器的检测方向相对于对应的参考轴(例如，俯仰和翻滚轴)倾斜的情况下进行操作。根据本专利技术，提供一种用于设有微电子机械结构的多轴陀螺仪的读出电路，所述微电子机械结构具有参考轴和沿着相应的检测方向敏感的检测元件，要检测的相应角速度被设计为沿着所述参考轴起作用，所述检测元件被设计为生成作为所述角速度在所述相应检测方向投影的函数的相应检测量(detectionquantity)；所述读出电路被配置为基于所述检测量，生成电输出信号，每个电输出信号与所述角速度中相应的一个相关，其特征在于包括组合级，被配置为将与检测量相关的电量(electricalquantity)电组合在一起，所述检测量由沿着相互不同的检测方向敏感的检测元件生成，以便考虑所述检测方向相对于所述参考轴的非零倾斜角。根据本专利技术，还提供一种对应的多轴陀螺仪，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于设有微电子机械结构(10)的多轴陀螺仪(52)的读出电路(30，30’)，所述微电子机械结构具有参考轴(x，y)和沿着相应检测方向(x1，x2)敏感的检测元件(22a-22d)，要检测的相应角速度(Ωx，Ωy)被设计为沿着所述参考轴起作用，所述检测元件(22a-22d)被设计为生成作为所述角速度在所述相应检测方向(x1，x2)投影的函数的相应检测量；所述读出电路(30，30’)被配置为基于所述检测量，生成电输出信号(OUT)，每个信号与所述角速度(Ωx，Ωy)中相应的一个相关，其特征在于包括组合级(32，32’)，所述组合级(32，32’)被配置为将与由沿着相互不同的检测方向敏感的检测元件(22a-22d)生成的检测量相关的电量电组合在一起，以便考虑所述检测方向(x1，x2)相对于所述参考轴(x，y)的非零倾斜角(Φ)。

【技术特征摘要】
2008.11.26 IT TO2008A000876;2009.06.26 IT TO2009A01.一种用于设有微电子机械结构(10)的多轴陀螺仪(52)的读出电路(30，30’)，所述微电子机械结构具有参考轴(x，y)和沿着相应检测方向(x1，x2)敏感的检测元件(22a-22d)，要检测的相应角速度(Ωx，Ωy)被设计为沿着所述参考轴起作用，所述检测元件(22a-22d)被设计为生成作为所述角速度在所述相应检测方向(x1，x2)投影的函数的相应检测量；所述读出电路(30，30’)被配置为基于所述检测量，生成电输出信号(OUT)，每个信号与所述角速度(Ωx，Ωy)中相应的一个相关，其特征在于包括组合级(32，32’)，所述组合级(32，32’)被配置为将与由沿着相互不同的检测方向敏感的检测元件(22a-22d)生成的检测量相关的电量电组合在一起，以便考虑所述检测方向(x1，x2)相对于所述参考轴(x，y)的非零倾斜角(Φ)。2.根据权利要求1的所述电路，其中所述组合级(32，32’)被配置为将与由所述检测元件(22a-22b)中的每一个生成的检测量相关的电量电组合在一起。3.根据权利要求1的所述电路，其中所述检测量包括电容变化，所述电容变化由所述检测元件(22a-22d)相对于相关联的固定电极(A-D)的位移产生，并作为所述角速度在所述相应检测方向(x1，x2)上的所述投影的函数；所述电路包括：输入级(40；40a；40b)，被配置为将所述电容变化转换为调制电信号，然后基于参考信号(CK)解调所述调制电信号；输出级(38a，38b)，被配置为接收与由所述输入级(40；40a；40b)解调的电信号相关的中间电信号，并处理所述中间电信号以生成所述电输出信号(OUT)；所述组合级(32，32’)被设置在所述输出级(38a，38b)的上游，以便与所述中间电信号中的每一个相关联的是与所述角速度(Ωx，Ωy)中的相应的一个排它地相关联的信息内容。4.根据权利要求3的所述电路，其中所述微电子机械结构(10)进一步设有驱动块(13)，其被设计为以共振频率和驱动角速度(ωz)被激励；并且其中所述输入级(40；40a；40b)包括：电荷放大元件(2)，其被设计为放大所述电容变化并且生成由与所述驱动角速度(ωz)相关的载波振幅调制的DSB-SC(双边带抑制载波)类型的所述调制电信号；解调元件(4)，级联到所述电荷放大元件(2)，并被设计为解调DSB-SC类型的所述调制电信号；并且其中所述输出级(38a，38b)包括：采样元件(6)，被设计为对所述中间电信号进行采样并生成采样电信号；以及滤波级(8)，其被级联到所述采样元件(6)，并被设计为过滤所述采样电信号，至少移除与所述共振频率相关的频率成分，以生成所述电输出信号(OUT)。5.根据权利要求1的所述电路，其中所述微电子机械结构(10)具有俯仰参考轴(x)和翻滚参考轴(y)，俯仰角速度(Ωxx)和翻滚角速度(Ωy)分别沿着俯仰参考轴(x)和翻滚参考轴(y)起作用，所述微电子机械结构(10)还设有在第一检测方向(x1)敏感的第一检测元件(22a)和第二检测元件(22c)，以及在第二检测方向(x2)敏感的第三检测元件(22b)和第四检测元件(22d)，所述第一检测方向(x1)和所述第二检测方向(x2)相对于所述俯仰(x)参考轴和翻滚(y)参考轴倾斜包括在40°和50°之间的角度，优选为基本上等于45°；其中所述第一检测元件(22a)和第三检测元件(22b)及所述第二检测元件(22c)和第四检测元件(22d)相对于所述翻滚参考轴(y)成对的设置在相对侧，所述第一检测元件(22a)和第四检测元件(22d)及所述第二检测元件(22c)和第三检测元件(22b)相对于所述俯仰参考轴(x)成对的设置在相对侧；其中所述组合级(32，32’)被配置为：通过将与由所述第一检测元件(22a)和第三检测元件(22b)生成的检测量相关的第一符号的电量和与由所述第二检测元件(22c)和第四检测元件(22d)生成的检测量相关的并与所述第一符号相反的第-->二符号的电量相加，来执行第一组合操作，以生成与所述翻滚角速度(Ωy)相关的第一输出信号；并通过将与由所述第一检测元件(22a)和第四检测元件(22d)生成的检测量相关的所述第一符号电量和与由所述第二检测元件(22c)和第三检测元件(22b)生成的检测量相关的所述第二符号电量相加，来执行第二组合操作，以生成与所述俯仰角速度(Ωx)相关的第二输出信号。6.根据权利要求1的所述电路，其中所述电量与所述检测量一致，并包括电容变化，所述电容变化由于所述检测元件(22a-22d)相对于相关联的固定电极(A-D)的位移产生并作为所述角速度在所述相应检测方向(x1，x2)上的投影的函数；其中所述组合级(32)具有输入，所述输入被设计为电连接到所述固定电极(A-D)以便在输入接收所述电容变化，且所述组合级被配置为执行由对相互不同的所述检测方向敏感的所述检测元件(22a-22b)生成的电容变化的组合。7.根据权利要求6的所述电路，其中所述组合级(32)具有输入并包括一组开关元件(34-37)，所述输入接收相位信号所述开关元件能够由所述相位信号驱动，以成对的短路所述固定电极(A-D)并执行所述电容变化的所述组合。8.根据权利要求7的所述电路，包括级联到所述组合级(32)的电荷放大元件(2)；其中所述微电子机械结构(10)具有俯仰参考轴(x)和翻滚参考轴(y)，俯仰角速度(Ωx)和翻滚角速度(Ωy)分别沿着俯仰参考轴(x)和翻滚参考轴(y)起作用，所述微电子机械结构(10)还设有与第一固定电极(A)和第二固定电极(C)相关联的在第一检测方向(x1)上敏感的第一对检测元件(22a，22c)，及与第三固定电极(B)和第四固定电极(D)相关联的在第二检测方向(x2)上敏感的第二对检测元件(22b，22d)，所述第一检测方向(x1)和所述第二检测方向(x2)相对于所述俯仰参考轴(x)和翻滚(y)参考轴倾斜包括在40°和50°之间的倾斜角度，优选为基本上等于45°；其中所述一组开关元件(34-37)包括：第一开关元件(34)，连接在所述第一固定电极(A)和所述第三固定电极(B)之间，并由所述相位信号中的第一相位信号控制；第二开关元件(35)，连接在所述第二固定电极(C)和所述第四固定电极(D)之间，由所述第一相位信号控制；第三开关元件(36)，连接在所述第二固定电极(C)和所述第三固定电极(B)之间并由所述相位信号中的第二相位信号控制；及第四开关元件(37)，连接在所述第一固定电极(A)和所述第四固定电极(D)之间，由所述第二相位信号控制；并且其中所述组合级(32)还限定所述第一固定电极(A)与所述电荷放...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·卡米纳达，L·普兰迪，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT