[发明专利]检测方向与参考轴倾斜的多轴MEMS陀螺仪及其读出电路

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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(apparent force)，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M_c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，Ω_x和Ω_y是围绕相应参考轴而作用的未知俯仰和翻滚角速度，且ω_z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 ω_z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-1 624 286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Ω_x∧ω_z成比例的信号，或者在翻滚的情 况下读取与矢量积Ω_y∧ω_z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Ω_x或翻滚角速度Ω_y)成比例。