[发明专利]具有实时校准比例因子的MEMS陀螺仪及其校准方法

说明书

本公开涉及具有实时校准比例因子的MEMS陀螺仪及其校准方法。MEMS陀螺仪有由支撑结构承载以在彼此垂直的驱动方向和第一感测方向上移动的移动质量块。驱动结构以驱动频率管控移动质量块在驱动方向上的移动。移动感测结构耦合到移动质量块，并且检测移动质量块在感测方向上的移动。正交注入结构耦合到移动质量块，并且使移动质量块分别在第一和第二校准半周期中在感测方向上进行第一移动和第二移动。移动感测结构供应幅度在第一值和第二值之间切换的感测信号，该第一值和第二值取决于由于外部角速度以及第一和第二正交移动而导致的移动质量块的移动。感测信号的第一值和第二值彼此相减，并且与储存的差值进行比较，以供应比例因子的变化信息。

技术领域

本公开涉及一种具有实时校准比例因子的MEMS陀螺仪及其校准方法。

背景技术

众所周知，由于微机电系统(MEMS)尺寸小、成本与消费者应用兼容以及可靠性日益提高，所以微机电系统(MEMS)以日益广泛的方式在各种应用中被使用。尤其是，诸如微集成陀螺仪和机电振荡器的惯性传感器被利用这种技术制造。

这种类型的MEMS传感器总体上包括支撑体部和至少一个移动质量块，该至少一个移动质量块经由弹簧或“挠曲件”悬置在支撑体部上并且与支撑体部耦合。挠曲件被配置为允许移动质量块根据一个或多个自由度相对于支撑体部振荡。移动质量块总体上被电容性地耦合到支撑体部，并且与支撑体部形成具有可变电容的电容器。尤其是，由于作用在移动质量块上的力的作用，移动质量块相对于在支撑体部上的固定电极的移动修改了电容器的电容。基于电容变化来检测移动质量块相对于支撑体部的位移，并且基于检测到的位移来计算导致位移的外力。

在MEMS传感器之中，陀螺仪具有复杂的机电结构，该机电结构通常包括相对于支撑体部移动的至少两个质量块，该至少两个质量块彼此耦合以依据系统的体系架构具有若干个自由度。在大多数情况下，每个移动质量块具有一个或至多两个自由度，但是带有具有三个自由度的单个移动质量块的MEMS陀螺仪正在扩展。在所有情况下，电容性耦合是通过固定驱动电极或固定致动电极和移动驱动电极或移动致动电极，并且通过固定感测电极和移动感测电极获得的。

在具有两个移动质量块的实现方式中，第一移动质量块专用于驱动，并且以共振频率并且以受控制振荡幅度保持在第一方向上振荡或围绕第一方向振荡。第二移动质量块通过第一移动质量块驱动，并且在陀螺仪围绕其垂直于第一方向的轴线并且以角速度旋转的情况下，第二移动质量块受制于与角速度成比例并且垂直于驱动方向和旋转轴线的科里奥利力(Coriolis force)。

在具有单个移动质量块的实现方式中，质量块利用两个独立自由度(即，用于驱动的自由度和用于感测的自由度)耦合到支撑体部，以相对于支撑体部移动。支撑体部可以包括移动质量块在支撑体部平面中的移动(平面中移动)或在垂直于支撑体部的方向上的移动(平面外移动)。驱动设备根据两个自由度的一个自由度保持移动质量块在受控制振荡中。由于科里奥利力，所以移动质量块响应于支撑体部的旋转而根据另一自由度移动。

在图1中图示了单个质量块陀螺仪的基本图，其在广义地表示陀螺仪1的机械感测结构。此处，陀螺仪1包括由支撑结构3(示意性图示)通过第一挠曲系统4和第二挠曲系统5支撑的移动质量块2，并且该第一挠曲系统和第二挠曲系统4、5(也仅示意性地图示)各自由相应弹性的元件4.1，5.1(具有相应弹性常数k_x和k_y)以及相应阻尼元件4.2和5.2(具有相应弹性常数r_x和r_y)表示。

在图1中，第一挠曲系统4使得移动质量块2能够在第一方向上移动，该第一方向平行于笛卡尔参考系统的第一轴线(此处为轴线X)，并且因此被称为驱动方向X；并且第二挠曲系统5使得移动质量块2能够在第二方向上移动，该第二方向平行于笛卡尔参考系统的第二轴线(此处为轴线Y)，并且因此被称为感测方向Y。