簡化校準(zhǔn)的陀螺儀以及陀螺儀的簡化校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有簡化校準(zhǔn)的MEMS和/或NEMS型陀螺儀以及陀螺儀的簡化校 準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] MEMS(MicroElectroMechanicalSystem,微機電系統(tǒng)）和 / 或 NEMS(NanoElectroMechanicalSystem，納機電系統(tǒng)）型的陀螺儀通常包含使用彈簧共同懸 掛并連接到襯底上的一個質(zhì)量塊或一組質(zhì)量塊組成。一個或多個質(zhì)量塊具有數(shù)個自由度， 并且被設(shè)定為根據(jù)多個模式之一來諧振受控振動，該模式被稱為按照第一自由度的激勵模 式。當(dāng)存在旋轉(zhuǎn)時，科里奧利力（Coriolisforce)出現(xiàn)并且將質(zhì)量塊或全部質(zhì)量塊中的一 部分設(shè)定為按照與第一自由度垂直的第二自由度振動，并且對應(yīng)的模式被稱作檢測模式。
[0003] 多數(shù)陀螺儀使用機械解耦將激勵部分和檢測部分隔離。在激勵存在機械缺陷的情 況下，將會生成按照檢測方向的運動并且這將影響檢測質(zhì)量塊。
[0004] 陀螺儀中存在偏置。該偏置具有與科里奧利信號Q同相的分量Bi，稱為相位偏 置，以及正交分量Bq，稱為正交偏置。通過測量檢測質(zhì)量塊，則獲得以下信號S:
[0005] S= (Bi+^ )cos(?〇t)+Bqsin(co〇t) (I)
[0006] 在理想情況下，通過解調(diào)陀螺儀提供的信號，正交偏置應(yīng)當(dāng)被消除。然而，解調(diào)絕 不是完美的，并且具有相位誤差染^和相位噪聲Cp1^ise ((p^I
[0007] 解調(diào)信號如下：
[0009] 正交偏置因而導(dǎo)致出現(xiàn)解調(diào)信號中偏置分量以及噪聲分量。
[0010] 因此，正交偏置無法被消除。
[0011] 該偏置的存在歸因于實現(xiàn)陀螺儀期間的技術(shù)缺陷。
[0012] 主要缺陷是非對角線剛度系數(shù)kxy，該非對角線剛度系數(shù)生成正交偏置。在平面內(nèi) 激勵模式和平面內(nèi)檢測模式的框架內(nèi)，陀螺儀則被稱為"陀螺儀Z"，因為這允許檢測圍繞 平面外的軸線的旋轉(zhuǎn)，該正交偏置尤其歸因于激勵彈簧的過度刻蝕造成的局部振動。此現(xiàn) 象在以下文件中進行了說明：S.V.Iyer，"Modelingandsimulationofnon-idealities inaZ-axisCM0S-MEMSgyroscope"（Z軸CM0S-MEMS陀螺儀中的非理想因素的建模和仿 真），自然哲學(xué)博士論文集，電子工程系，卡內(nèi)基梅隴大學(xué)，匹茲堡，巴拿馬，2003年，以及 E.Tatar、S.E.Alper、T.Akin，"Effectofquadratureerrorontheperformanceofa fullydecoupledMEMSgyroscope"（完全解親MEMS陀螺儀的性能的正交誤差的影響）， IEEEMEMS2011會議，坎昆，墨西哥，2011年1月23日至27日，第569-572頁。
[0013] 在平面內(nèi)激勵模式和平面外檢測模式的框架內(nèi)，陀螺儀則被稱為"陀螺儀X或 Y"，該偏置尤其歸因于激勵彈簧的刻蝕角度。此現(xiàn)象在以下文件中進行了說明：P.MerZ、 W.Pilz、F.Senger、K.Reimer、M.Grouchko、T.PandhumsoporruW.Bosch、A.Cofer、S.Lassig，"ImpactofDRIEonVibratoryMEMSgyroscopeperformances"（DRIE對振動MEMS陀 螺儀性能的影響），Transducers&Eurosensors2007會議，里昂，法國，2007年6月10日至 14 日，第 1187-1190 頁，以及M.S.Weinberg、A.Kourepenis，"Errorsourcesinin-plane silicontuning-forkMEMSgyroscopes"（平面娃音叉MEMS陀螺儀內(nèi)的誤差來源），為電 子機械系統(tǒng)雜志，第15卷，第3號，第42至54頁，2006年6月。
[0014] 該正交偏置導(dǎo)致激勵的運動，該運動與激勵軸線并不完全共線。
[0015] 非對角線阻尼系數(shù)Cxy和激勵電極的檢測模式的直接激勵F 也能夠是相位偏置 或者正交偏置的來源。
[0016] 如上文中所指，多數(shù)陀螺儀實現(xiàn)激勵質(zhì)量塊和檢測質(zhì)量塊。在激勵質(zhì)量塊存在機 械缺陷的情況下，將會生成按照檢測方向的運動并且這將影響檢測質(zhì)量塊。
[0017] 激勵質(zhì)量塊和檢測質(zhì)量塊系統(tǒng)的方程如下：
[0023] O0exc激勵頻率；
[0024] ?Qdet檢測頻率；
[0025] Qdet品質(zhì)因數(shù)。
[0026] 激勵質(zhì)量塊的偏置移動被檢測模式的振蕩器以被稱為放大因數(shù)的因數(shù)A放大：
[0028] 在調(diào)諧頻率工作模式（即激勵頻率等于檢測頻率）的情況下，放大因數(shù)A為：
[0029] A=Qdet
[0030] 品質(zhì)因數(shù)Qdet約為1000至100000。
[0031] 在此情況下，機械靈敏度為：
[0033] 在非調(diào)諧頻率工作模式（即激勵頻率小于檢測頻率）的情況下，放大因數(shù)為：
[0035] 放大因數(shù)A約為2至100。對于20kHz的工作頻率fQexc和IkHz的偏移fQdet，該因 數(shù)為10。在此情況下，機械靈敏度為：
[0037] 應(yīng)當(dāng)注意，激勵頻率是已知的，這是因為激勵模式是諧振受控的。
[0038] 然而，該放大因數(shù)能夠在整個相同襯底上、或者在不同襯底之間大幅變化。尤其 是，當(dāng)工作在非調(diào)諧頻率下時，按照所看到的標(biāo)稱頻率偏移，放大因數(shù)能夠很容易地以因數(shù) 2甚至更多來變化。另外，該放大因數(shù)隨溫度變化。
[0039] 而且，在實現(xiàn)電容式檢測的陀螺儀的情況下，按照檢測模式的運動被變換為電容 變化，電容變化取決于在檢測質(zhì)量塊的運動過程中電極之間的空氣間隙的變化。然而，空 氣間隙的初始尺寸在不同的晶片中彼此不同，但是通常被控制在幾個百分點內(nèi)，甚至小于 1%〇
[0040] 這些技術(shù)缺陷的存在要求在使用陀螺儀之前校準(zhǔn)陀螺儀，以針對一個或多個溫度 來確定各個傳感器固有的偏置并且獲得傳感器的靈敏度。
[0041] 這樣的校準(zhǔn)借助于旋轉(zhuǎn)表來完成。尤其是，對于多軸傳感器，或者需要在不同表上 獲得與軸線數(shù)量成比例的若干測量值，又或者使用諸如文件US6 209 383中所述的復(fù)合 表。
[0042] 由于陀螺儀的偏離，對定期的溫度修正或重校準(zhǔn)進行規(guī)劃。
[0043] 一旦已知溫度特性變化的系數(shù)，溫度修正能夠經(jīng)通過傳感器在工作期間的溫度測 量由現(xiàn)有的溫度計算來完成。
[0044] 該測量能夠通過測量已知的諧振激勵頻率來進行。輸出信號則通過考慮溫度來修 正。
[0045] 還能夠完成定期的重校準(zhǔn)。例如，文件US2011/0172820說明了一種用于對安裝 在機器人中的陀螺儀進行重校準(zhǔn)的方法。當(dāng)機器人靜止時，重校準(zhǔn)通過使用陀螺儀發(fā)出的 信號來實現(xiàn)。在文件US2011/078707中，重校準(zhǔn)實現(xiàn)諸如加速計和磁力儀之類的其他傳感 器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0046] 因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種陀螺儀，該陀螺儀能夠以簡化方式進行校準(zhǔn) 和重校準(zhǔn)，并且提供了陀螺儀的簡化校準(zhǔn)和重校準(zhǔn)方法。
[0047] 上述目的由一種陀螺儀來實現(xiàn)，該陀螺儀包括在激勵下能夠運動的質(zhì)量塊和在檢 測中能夠運動的質(zhì)量塊，用于在第一方向上向激勵質(zhì)量塊施加激勵信號的裝置，用于對檢 測質(zhì)量塊在與第一方向垂直的第二方向上的運動進行檢測的裝置和用于對激勵質(zhì)量塊在 第二方向上的運動進行檢測的裝置，以及用于處理由對檢測質(zhì)量塊的運動進行檢測的裝置 和對激勵質(zhì)量塊在第二方向上的運動進行檢測的裝置所發(fā)出的檢測信號的裝置，以此獲得 陀螺儀的至少一個校準(zhǔn)參數(shù)。
[0048] 例如，這些校準(zhǔn)參數(shù)能夠是相位偏置、正交偏置和放大因數(shù)。
[0049] 本發(fā)明照此允許跟蹤傳感器在工作過程中的偏置和/或靈敏度的變化。
[0050] 換言之，陀螺儀另外測量檢測質(zhì)量塊沿檢測方式向的運動以確定科里奧利力，由 偏置造成的激勵質(zhì)量塊沿檢測方向的運動。通過獲取測量值，并且通過使用檢測質(zhì)量塊的 測量值來處理該獲取的測量值，則可以確定陀螺儀的偏置（相位偏置和正交偏置）、放大因 數(shù)和轉(zhuǎn)速。
[0051] 得知這些參數(shù)可以校準(zhǔn)和重校準(zhǔn)陀螺儀。
[0052] 如上所述，這些參數(shù)隨溫度變化，如果檢測到環(huán)境溫度的變化，則得益于本發(fā)明而 非常簡單地重新確定參數(shù)，這使得可以實現(xiàn)陀螺儀的簡化重校準(zhǔn)。
[0053] 得益于本發(fā)明，校準(zhǔn)能夠在沒有旋轉(zhuǎn)表的情況下完成，并且在