具有改善的热启动的MEMS陀螺仪器件和相应的方法技术

本公开的实施例涉及具有改善的热启动的MEMS陀螺仪器件和相应的方法。一种微机电陀螺仪器件，具有：一个检测结构，该检测结构配备有一个移动质量块；以及集成电子电路，其耦合到所述检测结构，并向所述检测结构提供偏置信号以使所述检测结构以谐振频率振荡，并从所述检测结构获取指示检测到的角速度的检测信号。当陀螺仪器件被供电时，集成电子电路在先前的断电之后实施启动阶段，其中移动质量块被偏置以使振荡增加到目标振荡幅度，随后是在目标振荡幅度处的保持阶段。该集成电子电路配备有时间计数器级，用于测量从先前断电开始的时间间隔的持续时间，并且在启动阶段期间根据所测量的时间间隔的持续时间来调节移动质量块的偏置。时间间隔的持续时间来调节移动质量块的偏置。时间间隔的持续时间来调节移动质量块的偏置。

【技术实现步骤摘要】
具有改善的热启动的MEMS陀螺仪器件和相应的方法


[0001]本解决方案涉及具有改善的热启动的MEMS(“微机电传感器”)类型的陀螺仪器件；本解决方案还涉及陀螺仪器件的操作方法，特别是参考前述热启动。

技术介绍

[0002]以已知方式，微制造技术允许从半导体材料层制造微机电系统(MEMS)，所述半导体材料层已沉积(例如多晶硅层)或生长(例如外延层)于牺牲层上方，所述牺牲层通过蚀刻移除。提供有这种技术的惯性传感器，加速度计和陀螺仪在例如汽车领域，惯性导航领域或移动或便携式器件领域中具有越来越多的成功。
[0003]特别地，使用MEMS技术制造的半导体材料的集成陀螺仪(以下简称为MEMS陀螺仪)是已知的，其基于利用科里奥利加速度的相对加速度定理来操作。
[0004]当以某个角速度(要检测的值)的旋转被施加到以线速度驱动的MEMS陀螺仪的移动质量块时，移动质量块感觉到称为科里奥利(Coriolis)力的表观力，该表观力确定其在与线性驱动速度的方向和发生旋转的轴垂直的方向上的位移。可动块由允许其在表观力方向上位移的弹性元件支承。根据胡克定律，位移与表观力成比例，使得科里奥利力和产生它的旋转的角速度值可以从移动质量块的位移中检测。
[0005]移动质量块的位移可以例如以电容方式检测，在谐振条件下确定由可移动检测电极的移动引起的电容变化，该可移动检测电极与移动质量块集成并且与固定检测电极耦合(例如以所谓的平行板配置，或以交叉指型配置)，以便形成检测电容器。
[0006]因此，MEMS陀螺仪通常包括检测结构，该检测结构包括前述移动质量块和前述检测电极；以及ASIC(专用集成电路)电子电路，其电耦合到所述检测结构，所述ASIC电子电路在其输入处接收由所述检测电容器产生的电容性变化并对其进行处理以产生指示角速度的电输出信号，所述电输出信号可提供在所述MEMS陀螺仪外部以用于后续处理。
[0007]上述ASIC电子电路和检测结构通常设置在半导体材料的各个管芯中，所述管芯设置在封装内，所述封装包围并保护相同的管芯，还提供朝向外部环境的电连接接口。
[0008]ASIC电子电路还实现用于驱动移动质量块的驱动级，使其保持在具有期望幅度(目标幅度)的谐振频率的振荡中，使得其可以通过前述科里奥利效应执行角速度检测。
[0009]特别地，驱动级被配置为在初始或启动阶段通过闭环(或反馈)控制使振荡开始，并且随后将振荡保持在期望的幅度。
[0010]在这点上，图1A示出了在由ASIC电路在初始时间t0接收MEMS陀螺仪启动信号之后，移动质量块的驱动位移(或振荡)D
osc
随时间的趋势。
[0011]在该示例中，该趋势从具有零位移的初始条件开始，并且具有第一阶段(启动阶段)和第二阶段(维护阶段)，该第一阶段具有快速增加(斜坡增加)直到达到维护幅度，该第二阶段在角速度检测阶段的整个持续时间中在该维护幅度处具有持久性。
[0012]特别地，上述维护阶段在时刻t0之后的时刻t1开始，在时刻t0，驱动振荡D
osc
超过幅度阈值TH。
[0013]图1B示出了由ASIC电子电路的前述驱动级提供给移动质量块的驱动控制信号S
C
(特别是电压信号)的相应趋势，该驱动控制信号S
C
在启动阶段中从前述启动信号的接收具有高饱和值(即，对应于最大控制电压)，以便引起移动质量块振荡的快速增加；并且，在保持阶段，适当的保持或稳定状态值低于上述高饱和值(在时间t1之后迅速达到该保持值)。
[0014]在保持阶段中，驱动级基于移动质量块振荡幅度检测信号(由耦合到相同移动质量块的适当检测元件提供)在期望值附近实现振荡幅度的闭环控制。
[0015]以已知的方式，驱动级需要在启动阶段提供最大可能的能量，以快速启动驱动并使启动持续时间尽可能短；事实上，当移动质量块的驱动振荡已经达到期望值时，可以仅在随后的维护阶段中执行陀螺仪对角速度的正确检测。
[0016]在该第一启动阶段中，驱动控制是开环控制，其中驱动级提供最大能量(在所谓的全蒸汽模式中)；在该初始阶段中，振荡幅度检测信号在任何情况下都将太低而不能与背景噪声区分开。
[0017]影响MEMS陀螺仪的已知问题由所谓的热启动表示。具体地，热启动被定义为当移动质量块仍然处于其振荡运动中时，陀螺仪的上电，该上电发生在接近先前的断电时；在没有驱动信号的情况下，移动质量块的振荡运动实际上在相当长的时间内衰减几百ms的量级。
[0018]在这些情况下，先前描述的启动阶段可能不是最佳的，其中通过驱动级将最大能量供应到移动质量块。
[0019]实际上，移动质量块可能经历过冲现象，即，假设振荡幅度大于期望幅度；在最坏的情况下，振荡幅度可以使得移动质量块撞击相应的止动元件(所谓的止动器)。
[0020]在这点上，图2A示出了在不同情况下移动质量块的驱动振荡D
osc
的趋势：所谓的“冷”启动情况，即具有固定移动质量块(期望条件)，其对应于先前在图1A中示出的趋势；以及四种不同的“热”启动条件，其在先前的断电瞬间和启动信号的后续接收之间的不同时间间隔(该时间间隔范围从5ms到100ms)内不同。
[0021]如可以注意到的，在最坏的热启动情况下，对应于前述断电和加电事件之间的最短时间间隔，移动质量块振荡幅度超过目标幅度(在由驱动级实现的驱动控制将相同的振荡幅度带值之前)。
[0022]对于从启动阶段开始还可能相当长(数十ms)的时间，即陀螺仪不能提供可靠检测的时间，所描述的情况可能对陀螺仪性能具有显著影响。
[0023]在这点上，图2B示出了在图2A所讨论的相同情况下陀螺仪的输出信号S
out
的趋势(表示检测到的角速度)。
[0024]在存在热启动的情况下，在所有情况下，记录输出信号S
out
的明显振荡，其在相当长的时间内保持不稳定；该振荡在先前断电瞬间和随后接收启动信号之间的最短时间间隔处具有最大幅度(对应于图2A所示的过冲情况的情况)。
[0025]陀螺仪的这种行为可能是不好的，并且对于各种应用领域是不可接受的，例如对于汽车或类似应用，其中需要高可靠性和快速检测。
[0026]克服与热启动事件相关的问题的已知解决方案设想防止这种事件发生。特别地，该解决方案设想使用陀螺仪的应用(外部电子系统)在已经命令同一陀螺仪断电之后确保足够的等待时间间隔，使得它允许移动质量块停止其振荡，从而确保在随后的加电情况下
的冷启动。
[0027]与该解决方案相关的限制显然是在陀螺仪每次断电之后请求等待时间间隔，如前所述，这种等待在各种应用中是不可行的。
[0028]此外，可能出现这样的情况，其中不同的应用(或外部电子系统)的断电，启动的情况；在这些应用是独立的并且彼此不通信的情况下，实现上述等待时间间隔可能是不可能的。
[0029]另一种已知的解决方案设想在陀螺仪启动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微机电陀螺仪器件，包括：检测结构，所述检测结构包括移动质量块；以及集成电子电路，耦合到所述检测结构并且所述集成电子电路被配置为：将偏置信号提供给所述检测结构以引起处于谐振频率的振荡；从所述检测结构获取指示检测到的角速度的检测信号；接收断电信号；接收启动信号；响应于在先前断电阶段之后接收到的所述启动信号来实施启动阶段，在所述启动阶段期间，所述集成电子电路被配置为：偏置所述移动质量块，以将所述振荡增加到目标振荡幅度；以及响应于所述目标振荡幅度，实施保持阶段，所述集成电子电路包括：时间计数器，被配置为测量从所述先前断电阶段开始的时间间隔的持续时间，并且所述时间计数器被配置为在所述启动阶段期间根据所测量的时间间隔的持续时间来偏置所述移动质量块。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述集成电子电路被配置为：比较所测量的时间间隔的持续时间和与所述振荡的衰减时间相关联的等待间隔；以及响应于所述比较而在所述启动阶段期间偏置所述移动质量块。3.根据权利要求2所述的器件，其中所述等待间隔的值依据所述检测结构的所述移动质量块的品质因数。4.根据权利要求2所述的器件，其中所述集成电子电路包括非易失性存储器，所述非易失性存储器被配置为存储所述等待间隔的值。5.根据权利要求2所述的器件，其中所述集成电子电路被配置为：在接收到被配置为关断所述陀螺仪器件的断电信号时，激活所述时间计数器级并且启动预断电阶段；以及在所测量的持续时间短于所述等待间隔的情况下，在所述启动阶段期间依据所述时间间隔的所测量的持续时间来偏置所述移动质量块，所述时间间隔在所述断电信号的接收与所述启动信号的接收之间持续。6.根据权利要求5所述的器件，其中所述集成电子电路被配置为：如果所测量的持续时间达到所述等待间隔，则使所述陀螺仪器件和所述时间计数器级关断。7.根据权利要求1所述的器件，其中所述启动阶段被分成多个子阶段；并且其中所述集成电子电路被配置为在所述启动阶段期间通过消除所述子阶段中的一个或多个子阶段来偏置所述移动质量块。8.根据权利要求1所述的器件，其中所述启动阶段被分成多个子阶段；并且其中所述集成电子电路被配置为在所述启动阶段期间通过减少所述子阶段的一个或多个子阶段的预定持续时间来偏置所述移动质量块。9.根据权利要求1所述的器件，其中所述集成电子电路包括控制级和偏置级，所述集成电子电路由所述控制级控制以实现所述检测结构的偏置。10.根据权利要求1所述的器件，其中所述时间计数器级包括振荡器。11.一种方法，包括：操作微机电陀螺仪器件，所述微机电陀螺仪器件具有带有可移动质量块的检测结构，
所述操作通过集成电子电路进行，所述集成电路被耦合到所述检测结构；用来自所述集成电子电路的偏置级的偏置信号以谐振频率振荡所述检测结构；接收启动信号；响应于...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
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：