[发明专利]驱动电路、用于驱动MEMS陀螺仪的方法和对应的MEMS陀螺仪

说明书

本公开涉及驱动电路、用于驱动MEMS陀螺仪的方法和对应的MEMS陀螺仪。提供了一种用于基于科里奥利效应操作的微机电系统(MEMS)陀螺仪的驱动电路。驱动电路向MEMS陀螺仪的移动质量块提供驱动信号，以使移动质量块的驱动运动以振荡频率振荡。驱动电路包括：输入级，其接收表示驱动运动的至少一个电学量，并基于电学量产生驱动信号；测量级，其基于驱动信号测量驱动运动的振荡幅度；以及控制级，其基于振荡幅度的反馈控制产生驱动信号。测量级执行在其期间驱动信号与幅度阈值具有给定关系的时间间隔的测量，并测量作为时间间隔的函数的振荡幅度。

技术领域

本发明涉及用于MEMS陀螺仪的驱动电路和驱动方法，该MEMS陀螺仪特别是基于科里奥利效应操作的MEMS陀螺仪，即所谓的CVG(科里奥利振动陀螺仪)。本发明还涉及对应的MEMS陀螺仪。

背景技术

众所周知，当前的微加工技术使能从半导体材料层开始获得微机电系统(MEMS)，该半导体材料层已经在牺牲层上沉积(例如，多晶硅层)或生长(例如，外延层)，然后通过化学蚀刻除去牺牲层。例如在汽车领域、惯性导航和便携式设备领域中，利用该技术获得的惯性传感器，特别是加速度计和陀螺仪，正在获得越来越多的成功。

特别地，已知使用MEMS技术制造的半导体材料的集成陀螺仪，其基于相对加速度定理操作，利用科里奥利加速度。如前所述，这些MEMS陀螺仪被称为CVG。

当以某一角速度(其值将被检测)的旋转被施加到以线性速度被驱动的MEMS陀螺仪的移动质量块(所谓的惯性质量块)时，惯性质量块感受到表观力，该表观力被定义为科里奥利力，科里奥利力确定惯性质量块在垂直于驱动线性速度方向、且垂直于绕其发生旋转的轴的方向上的位移。

惯性质量块通过弹性元件支撑，弹性元件使能惯性质量块在表观力的方向上的位移。根据胡克定律，位移与表观力成比例，因此通过惯性质量块的位移，可以检测科里奥利力，从而检测产生科里奥利力的旋转角速度的值。

惯性质量块的位移可以例如被电容性地检测，在共振振荡的条件下(以便最大化运动的幅度)确定由移动感测电极的运动引起的电容的变化，移动感测电极相对于惯性质量块被固定并且电容性地耦合到固定感测电极(例如，在所谓的“平行板”配置中，或者否则在所谓的“梳指状”配置中)。

图1示意性地并且仅以示例的方式示出了已知类型的MEMS CVG的可能实施例，其作为整体被标记为1，在这种情况下，MEMS CVG是单轴类型的，即能够检测角速度，例如，沿着单个感测轴作用的角速度Ωz，在该示例中，角速度Ωz绕垂直轴z起作用。

MEMS陀螺仪1包括具有驱动质量块2的微机械结构1'，驱动质量块2的主延伸部分在水平面xy中。驱动质量块2通过锚固件3耦合到基板S(示意性地示出)，驱动质量块2通过弹性锚固元件4连接到锚固件3，弹性锚固元件4配置成使能驱动质量块2的沿着上述水平面xy的第一水平轴x的驱动运动。

驱动电极5和驱动感测电极6耦合到驱动质量块2，并且包括耦合到驱动质量块2的相应的移动电极、以及相对于基板被固定的相应固定电极，移动电极和固定电极电容性地耦合在所谓的梳指状配置中。

驱动电极5由驱动(或激励)信号D₁、D₂偏置，以便由于相应的移动电极和相应的固定电极之间的静电耦合，而产生驱动质量块2的上述驱动运动，特别是在振荡频率f_d处的共振运动(该振荡频率对应于微机械结构1'的振荡的固有频率)，并且驱动感测电极6使得能够产生驱动信号I₁、I₂，特别是指示驱动运动程度(即驱动质量块2的振荡幅度)的电容变化信号。有利地，驱动信号I₁，I₂是差分类型的，即响应于驱动运动具有相反的变化。如图1所示，由6'表示的第一组驱动感测电极实际上被配置为由于驱动运动而产生第一电容变化，并且由6”表示的第二组驱动感测电极被配置为由于相同的驱动运动而产生与第一电容变化相反的第二电容变化。