专利名称：调整mems陀螺仪以减小热变偏移的制作方法
调整MEMS陀螺仪以减小热变偏移本申请要求于2011年4月27日提交的美国临时申请No. 61/479,765的权益，上述申请整体作为參考引入本文。
背景技术：
微机电系统(MEMS)陀螺仪具有偏移(bias)，该偏移是温度的函数(比如，热变偏移)。这种偏移会限制其性能，尤其是大温度改变或存在热梯度吋。典型地，可通过软件后处理来补偿热变偏移，该软件后处理基于建模和经验数据来调整输出信号。
发明内容
本申请涉及一种用于校准微机电系统(MEMS)振动结构陀螺仪的方法。本方法包 括获得至少ー个检测质块(proof mass)相对于至少ー个驱动电极的位置的指示，以及根据所述指示，向所述至少一个检测质块施加静电力，该静电力被配置为将至少ー个检测质块定位在相对于至少ー个驱动电极的第一位置。所主张的发明的不同实施例的细节结合下面的附图和说明书来说明。其它的特征和优势根据说明书、附图和权利要求书将会变得明显。
图I是包括惯性测量単元(MU)的系统的例子的框图，该惯性测量单元具有陀螺仪，所述陀螺仪能被调整以减小热变偏移。图2是例如图I的IMU中的陀螺仪的振动结构陀螺仪的例子的透视图。图3是图2的振动结构陀螺仪的侧视/框图。图4是图2的陀螺仪的一部分的例子的透视图，其示出了检测质块梳(comb)相对于驱动梳的偏离。图5是图2的陀螺仪的例子的截面图，其示出了检测质块梳相对于驱动梳的偏离。图6是图2的陀螺仪的例子的截面图，其示出了检测质块梳与驱动梳对准(aligned with)。图7是图2的陀螺仪的一部分的例子的透视图，其示出了检测质块梳与驱动梳对准。图8是调整图2的陀螺仪以减小热变偏移的示例性方法的流程图。在不同的附图中，同样的參考数字和标记代表了同样的要素。
具体实施例方式此处所描述的实施例涉及ー种用于调整振动结构陀螺仪以减小热变偏移的方法和系统。对于面内(in-plane)静电驱动的陀螺仪，对热变偏移贡献很大的是驱动梳产生的面外(out-of-plane)驱动力。这些面外力在驱动梳与检测质块上相应的梳不对准(例如，完全啮合)时出现。这种不对准会引起不对称的静电边缘场，该不対称的静电边缘场在检测质块上施加净カ(net force)。该净カ会引起检测质块沿着感应轴(sense axis)以电机频率进行的时变运动。因为驱动电压是温度的函数，所以检测质块上的净カ也是温度的函数。这个运动产生了由感应电极感应的偏移，该偏移是温度的函数。因此，此处所描述的实施例能够向检测质块施加静电カ以使得检测质块的ー个(或多个)梳与驱动电极的ー个(或多个)梳对准。图I是系统100的例子的框图，系统100包括惯性测量单元(MU) 102，其具有能够被调整以减小热变偏移的陀螺仪。该系统100可以包括ー个或多个处理设备104,其与ー个或多个存储设备106以及MU 102相耦合。所述ー个或多个存储设备可以包括指令，当由ー个或多个处理设备104执行时，这些指令可以使得ー个或多个处理设备104执行ー个或多个动作。在一个例子中，系统100被配置为导航系统，并且所述指令包括执行导航程序的指令，该导航程序包括计算导航解算(navigation solution),所述导航解算能够通过输入/输出端ロ 108提供给其他设备。例如，所述ー个或多个处理设备104能够基于由MU102获得的且从IMU 102接收的惯性測量数据计算导航解算。在一个例子中，ー个或多个处理设备104可以包括中央处理单元(CPU)、微控制 器、微处理器(比如，数字信号处理器(DSP))、现场可编程门阵列(FPGA)，应用特定集成电路(ASIC)，或其他处理设备。ー个或多个存储设备106可包括任何适合的处理器可读介质，其用于储存处理器可读指令或数据结构。合适的处理器可读介质可以包括有形的介质如磁或光学介质。例如，有形的介质可以是传统的硬盘、光盘(例如，只读或可重写)，易失性或非易失性介质如随机存取存储器(RAM)，包括，但不限干，同步动态随机存取存储器(SDRAM)、双倍数据速率(DDR) RAM、RAMBUS动态RAM(RDRAM)、静态RAM(SRAM)，等等，只读存储器(ROM)，电擦除可编程ROM(EEPROM)，和闪存等。合适的处理器可读介质还可以包括传输介质，诸如电、电磁、和数字信号，其通过诸如网络和/或无线链路之类的通信介质传递。IMU 102可被配置为做出调整以减小热变偏移。在一个例子中，该调整可以作为IMU 102的校准程序或其一部分来执行。例如，在系统100启动时，一个或多个处理器104向MU 102发送信号以指示启动。在其他例子中，MU 102可以基于例如系统100的加电而自我识别启动。在任何情况下，在从ー个或多个处理器104接收到信号，或以其他方式识别启动吋，IMU 102可以执行包括调整的校准程序以减小热变偏移。在一些例子中，IMU 102可以在MU 102的操作暂停期间执行校准程序。例如，在启动后和操作期间，頂U 102可暂停操作执行校准程序。在一些例子中，IMU 102能够周期性地执行校准程序(例如，通过在操作期间周期性地暂停)。在还有其他的例子中，MU 102可在被运送到消费者之前在エ厂中执行校准。在任何情况下，IMU 102可以执行包括调整的校准程序以减小热变偏移来改善其性能。图2是振动结构陀螺仪200 (例如IMU 102中的陀螺仪)的透视图，其能够做出调整以减小热变偏移。陀螺仪200能够包括至少ー个检测质块202 (在此处也可简称为“检测质块202”)，其被配置为根据科里奥利效应进行移动。陀螺仪200还包括至少ー个驱动电极204(在此处也可简称为“驱动电极204”)，其被配置为向检测质块202施加驱动力。检测质块202可以包括大体平面结构，在该平面结构的一个或多个边缘上具有至少ー个梳206 (在此处也可简称为“检测质块梳206”)。在一个例子中，检测质块202可以被配置为“面内”传感器，从而科里奥利效应使检测质块206在与平面结构垂直的方向移动；也就是说，检测质块202的感应轴(Z) 208与平面结构相垂直。驱动电极204也可以包括至少ー个梳210(在此处也可简称为“驱动梳210”)，被配置为与检测质块梳206啮合，并被配置为向检测质块梳206施加驱动カ。陀螺仪200还可以包括第一感应电极212和第二感应电极213，被用来确定沿检测质块202的感应轴208的运动。检测质块202可被布置在感应电极212、213之间，这样感应电极212、213被布置成面向(oppose)检测质块202相应的平面侧214、215。在一个例子中，沿感应轴208的运动通过以下方式来确定通过将感应电极212、213配置为向检测质块202周围施加静电场(在此处也称此为“感应场”)，和通过感应所述感应场内检测质块202的运动所引起的检测质块202电压变化。例如，当检测质块202 (具有给定直流电位)沿感应轴208移动时，从感应场在检测质块上感生的电荷可以被检测，并用于确定沿感应轴的运动量级。在其他例子中，检测质块202的运动可通过其他方式(包括測量在感应电极212、213上感生的交流信号)来确定。图3是振动结构陀螺仪200的侧视/框图。如所示，信号发生器218能够向驱动电极204提供驱动信号，并且能够从放大器220 (例如，电荷放大器)的输出222获得感应传感器(sense pickoff)，其中放大器220与检测质块202相耦合。通过对输入224、225施加适当的电压，由第一感应电极212和第二感应电极213向检测质块202施加感应场。在操作中，由信号发生器218产生驱动信号并将其施加到驱动电极204。对驱动电极204施加驱动信号能使驱动梳210对检测质块梳206施加相应的驱动カ。这种驱动カ能使检测质块202沿驱动轴(X) 209振荡。根据科里奥利效应，在振荡引起驱动カ期间绕输入轴(Y) 216的旋转能够使检测质块202沿感应轴(Z) 208以电机频率(驱动信号频率的两倍)振荡。沿感应轴208的这种振荡使得检测质块202分别移动得更加靠近和更加远离感应电极212、213。在输出222处，能够基于感应电极212、213所产生的感应场在检测质块202内所感生的电流，来检测检测质块202的这种振荡。 图4是陀螺仪200的一部分的透视图，其示出了检测质块202、驱动电极204、以及它们各自的梳206、210。图4示出沿感应轴208的检测质块梳206与驱动梳210的偏离(例如，部分脱离)。这种偏离可能是在制造过程中驱动梳210和/或检测质块梳206内的变形和/或应カ导致。图5是陀螺仪200的截面图，其示出了检测质块梳206相对于驱动梳210的偏离。如所示，当施加驱动カ时，该偏离会导致不对称”边缘”电场由驱动梳210施加到检测质块梳206。不对称电场引起由驱动梳210沿感应轴208施加的净力。由于由驱动梳210施加的驱动カ是交变的，所以净カ引起检测质块206相对于驱动梳210的沿感应轴208的振荡。此外，该振荡会以将出现旋转信号的相同频率发生，即电机频率。因此，该振荡会被检测为假旋转信号(例如，偏移)。此外，如上所述，由于不对称电场的強度基于驱动梳210所施加的驱动力，该驱动カ是温度的函数，所以该偏移也是温度的函数，从而产生热变偏移。为了调整陀螺仪200以减小热变偏移，可以将陀螺仪200配置为向检测质块202施加静电力，以使检测质块202位于可产生期望的(例如，最小的)热变偏移的位置。特别地，静电カ可被配置为沿感应轴208相对于驱动梳210的位置调整检测质块梳206的位置。在一个例子中，静电カ可配置为将检测质块梳206和驱动梳210对准。在一个例子中，陀螺仪200可以包括控制电路，被配置为确定静电カ并将该静电カ施加到检测质块202。
如上所述，可向检测质块202施加静电カ来调整其位置。在一个例子中，通过两个或更多电极施加静电カ，所述电极面向检测质块202的相应平面侧214、215。可通过将适当的直流(DC)电压施加到两个或更多电极来产生静电カ以在检测质块202上产生静电力。特别地，施加到两个或更多电极的直流电压被相对于检测质块202的电压配置以产生力。例如，如果正直流电压信号被施加到检测质块202上方的第一电极,并且负直流电压信号被施加到检测质块202下方的第二电极，则正负电压的值可以基于检测质块202的电压来设置以产生力。例如，如果检测质块202处于直流接地电位(Ov)，并且第一和第二电极离检测质块202距离相等，则通过把施加到第一电极的正电压设置为大于施加到第二电极的负电压的相对值来以向上的方向施加静电カ。例如，能够通过将+6伏施加到第一电极且将_4伏施加到第二电极来施加向上的力。由于检测质块202处于0伏，那么施加到第一电极和第二电极的这些电压将在检测质块上产生指向第一电极的静电力。以这样的方式，施加到检测质块202的静电カ的量和方向可通过施加适当的电压到第一电极和第二电极来设置。在一个例子中，用于施加静电カ的两个或更多电极可以构成感应电极212、213。相应地，可施加适当的直流电压到感应电极212、213来调整沿感应轴208检测质块梳206相对于驱动 梳210的位置。如下面详细解释的那样，可以选择施加到感应电极212、213的电压以便提供(例如，保持)期望的比例因子。在其他例子中，专用电极(即，除感应电极212、213以外的电极)可用来施加静电力。图6是示出检测质块梳206与驱动梳210对准的陀螺仪200的截面图。通过控制感应电极212、213相对于检测质块202的直流电压，可对检测质块202施加静电カ来使检测质块向感应电极212或者感应电极213移动。调整检测质块梳206沿感应轴208的位置能够减小电场的不对称性，因此减小沿感应轴208的净力。图7是陀螺仪200的一部分的透视图，其示出了检测质块202和驱动电极204，其中它们各自的梳206、210对准。图8是用于调整陀螺仪200以减小热变偏移的不例方法700的流程图。为了调整检测质块梳206，可确定施加到检测质块202的静电カ的量。可通过获得检测质块梳206相对于驱动梳210沿感应轴208的位置的指示来确定静电カ的量。根据所述位置指示，可向检测质块202施加静电カ以根据需要定位检测质块202。在一个例子中，为检测质块梳206的给定位置施加的静电カ的量可以基于实验证据。例如，可以參考将检测质块梳206的特定位置与所施加的静电カ相链接的表格。在另ー个例子中，可通过向检测质块202系统地施加不同测试静电力，并获得对于不同测试静电カ而言检测质块梳206相对于驱动梳210的位置的指示来确定要施加的静电カ的量。这样，与最期望的位置相对应的测试静电カ可以被选择并在陀螺仪操作期间将其施加到检测质块202。检测质块梳206相对于驱动梳210的位置的指示能够以不同的方式获得。在ー个例子中，可以通过对检测质块202施加测试信号(图8的框702)并且测量驱动电极204和检测质块202之间的电容来获得检测质块梳206相对于驱动梳210的位置的指示。该测试信号可以是设置在远离检测质块202的谐振频率的频率处的交流(AC)信号，这样测试信号在检测质块202中不会引起运动或引起很小运动。也就是，测试信号可以具有限制检测质块202的运动的频率。在一个例子中，检测质块202的谐振频率可以为10kHz，并且测试信号可以在20-30kHz施加。在施加测试信号时，驱动电极204和检测质块202间的电容对应于驱动梳210和检测质块梳206之间的啮合量。特别地,检测质块梳206离驱动梳210越远，电容越小。相应地，更大的电容对应着检测质块梳206与驱动梳210之间的更加啮合。可在测试信号的频率处，通过解调来自放大器220的输出222的信号来测量电容。特别地，由驱动カ在检测质块202内感生的电流可以等于电容乘以驱动信号的交流电压的时间导数。因此，可基于输出222处的信号和驱动信号的交流电压来获得电容。在一个例子中，可向检测质块202施加多个不同测试静电カ(图8的框704)，并且能够通过测量对于不同的测试静电カ而言驱动电极204与检测质块202之间的多个电容来获得检测质块梳206相对于驱动梳210的位置的多个指示(图8的框706)。然后，可以选择最期望的位置所对应的测试静电力，并在操作期间将其施加到检测质块202 (图8的框708)。在一个例子中，最期望的位置对应于具有最大电容的测试静电力。因此，可以在陀螺仪200的操作期间选择和施加与最大电容对应的测试静电力(图8的框710)。 在另ー个例子中，可基于陀螺仪200的感应输出的偏移分解来获得检测质块梳206相对于驱动梳210的位置的指示。该偏移分解可以包括至少四个測量。这四个測量可以用来估计感应输出处的偏移，该偏移归因于检测质块梳206相对于驱动梳210之间的脱尚。感应输出处的此偏移在此处称作运动驱动(MD)的偏移。这四个測量包括1)施加驱动信号且施加感应场的測量，2)不施加驱动信号且施加感应场的測量，3)施加驱动信号且不施加感应场或施加I)中施加的感应场的逆的測量，
4)不施加驱动信号且不施加感应场或施加I)中施加的感应场的逆的测量。例如，可以对所述至少一个检测质块施加驱动信号。应理解，驱动被配置为使检测质块202共振，与上述的测试信号相反，所述测试信号被配置为不使检测质块202共振。因此，驱动信号能够具有与检测质块202的谐振频率对应的频率。上面所描述的第I)測量在施加驱动信号时且在施加感应场时获得。该第一測量将包括自然的(非驱动信号引起的)电现象引起的偏移(在此处也称为“电自然”或“ EN”偏移)+驱动信号感生的非预期的电信号引起的偏移(在此处也称此为“电驱动”或“ ED”偏移)+驱动运动感生的信号引起的偏移(在此处也称此为“运动驱动”或“ MD”偏移)+由自然(非驱动信号引起的)运动引起的偏移(在此处也称此为“运动自然”或“ MN”偏移)。其他三个(或更多)測量能消除或反转ー个或多个上述的偏移，以便分离出MD偏移。上面所描述的第2)測量在不施加驱动信号且施加感应场的情况下获得。该第二测量将包括EN偏移+MN偏移。第3)和第4)測量能够在施加与第一和第二測量中的感应场相逆的感应场或不施加感应场的情况下获得。因此，第3)測量可以在施加驱动信号时且在不施加感应场的情况下获得。该第三测量将包括EN偏移+ED偏移。第4)測量可在不施加驱动信号且不施加感应场的情况下获得。该第四测量将包括EN偏移。在可替换的例子中，第3)测量可以在施加驱动信号时且在施加与第一和第二测量期间施加的感应场相逆的感应场的情况下来获得。与第一和第二測量期间施加的感应场相逆的感应场可通过，比如，反转施加到感应电极212、213的电压的极性(例如，从第一感应电极212上的+5和第二感应电极213上的-5到第一感应电极212上的-5和第二个感应电极213上的+5)来产生。这种可替换的第三测量将包括EN偏移+ED偏移-MN偏移-MD偏移。第4)测量可以在不施加驱动信号且施加逆感应场的情况下获得。这种可替换的第四测量将包括EN偏移-MN偏移。在又另一个例子中，除了(原始的)第三和(原始的)第四测量中的一者或两者以外，可以获得可替换的第三和/或可替换的第四测量。在施加驱动信号之后对检测质块202振铃(ring down)的同时，可进行在不施加驱动信号的情况下所进行的测量。也就是，紧接在驱动信号停止之后，检测质块202将以逐渐减小的振幅继续振荡一段时间。在这段时间中，可在感应输出处获得基于振荡的信号。由于检测质块202在不施加驱动信号的情况下振荡，所以在理想的情况下，检测质块202的运动并不基于通过驱动信号引起的力。因此，这段时间内进行的偏移测量并不包括驱动信号引入的分量(例如，ED和MD偏移)。可在检测质块202的振幅与在施加驱动信号时检测质块202振幅相似时进行这些测量。为了以相似振幅进行这些测量，检测质块202的振幅可以增大至高于正常驱动信号下它的振幅，然后可以停止驱动信号。当检测质块202振铃时，检测质块202振荡的振幅下降。当所述振荡的振幅近似与正常的驱动信号期间的振幅相同时，能够进行所述测量。
在任何情况下，可以从这四种或更多测量获得MD偏移，并基于其来确定MD偏移。在一些例子中，可针对多个不同的测试静电力重复上述偏移分解。然后，可以选择与最小MD偏移相对应的测试静电力并在陀螺仪200的操作期间将其施加到检测质块202。在通过面向检测质块202的相应平面侧214、215的两个或更多电极(例如，感应电极212、213)施加静电力的例子中，通过(例如，由控制电路)施加不同的测试直流电压到所述两个或更多电极来施加不同的测试静电力。此外，施加到感应电极212、213的直流电压可以考虑比例因子。即，施加到感应电极212、213的直流电压能够提供第一感应电极212、213之间的期望的电压差(voltage differential),并在一个方向上提供相对于地(0伏)提供净余的静电力。为提供相对于地的净余的静电力，同时提供期望的比例因子，可设置施加到每个感应电极212、213的电压，以使得在第一和第二感应电极212、213之间获得期望的电压差。下面是系统地施加测试直流电压同时在电极212、213之间保持IOv电压差(用于比例因子)的一个例子第一 I)给第一感应电极212施加+3伏以及给第二感应电极213施加-7伏；第二 2)给第一感应电极212施加+4伏以及给第二感应电极213施加_6伏；第三3)给第一感应电极212施加+5伏以及给第二感应电极213施加-5伏；第四4)给第一感应电极212施加+6伏以及给第二感应电极213施加-4伏；第五5)给第一感应电极212施加+7伏以及给第二感应电极213施加-3伏。其它用于系统地施加测试直流电压到感应电极212和213的方法也是可能的。在一个例子中，施加于检测质块202的静电力在检测质块202上可以变化，从而在给定区域上提供或多或少的力。这可以在检测质块202具有多个梳206 (所述多个梳206相对于它们对应的驱动梳210具有不同的偏移)时使用。例如，检测质块202的至少一个梳206可以包括第一梳和第二梳，并且驱动电极204的至少一个梳210包括第三梳和第四梳。第三梳可以被配置为与第一梳啮合并且施加驱动信号到第一梳，以及第四梳可以被配置为与第二梳哨合并且施加驱动信号到第二梳。第一静电力可以被施加到第一梳206,且第二静电力可以被施加到第二梳206。因此，检测质块202的梳206可基于不同梳206的不同的偏移进行单独调整。在一个具体的例子中，检测质块的不同梳206 (比如，第一和第二梳)可被单独调整。为了单独调整不同的梳206，每个梳206可通过对该特定梳而不对其他梳206施加测试驱动信号而被单独测试。例如，为了确定施加到第一梳206的静电力的量，测试驱动信号可以被施加到检测质块202的第一梳206，而不施加到第二梳206。要施加的静电力的量于是可以基于沿感应轴208第一梳206相对于对应的第三驱动梳210的位置的指示来确定。同样地，要施加到第二梳206的静电力的量可以通过对检测质块202的第二梳206而不对第一梳206施加测试驱动信号来确定。基于沿感应轴208第二梳206相对于对应的第四驱动梳210的位置的指示，于是可确定施加静电力的量。因此，可以确定不同的静电力并将其施加到检测质块202的不同梳206 (例如，第一和第二)上。在一个例子中，可通过施加不同的直流电压到不同的电极对(例如，不同的感应电极对)来施加不同的静电力。在大多数例子中，上述对要施加的静电力的确定可在如上关于图I所述的校准程序期间完成。在一些例子中，控制电路可实施控制回路以在操作期间持续获得振荡幅度的 指示并且实时地持续施加静电力到检测质块202，以调整和保持检测质量梳206与驱动梳210对准。在一些例子中(例如，在工厂校准期间)，可以系统地施加不同温度，并获得不同温度下振荡幅度的指示。相应地，可以针对不同的操作温度施加不同的静电力。已经描述了由以下权利要求限定的本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不偏离所主张的发明的精神和范围的情况下，可以对上述实施例做出各种修改。因此，其他实施例也在下面权利要求的范围之中。
权利要求
1.一种用于校准微机电系统(MEMS)振动结构陀螺仪的方法,该方法包括 获得至少一个检测质块相对于至少一个驱动电极的位置的指示；以及 根据所述指示，向所述至少一个检测质块施加静电力，所述静电力被配置为将所述至少一个检测质块定位在相对于所述至少一个驱动电极的第一位置。
2.一种振动结构陀螺仪，该陀螺仪包括 具有至少一个第一梳的至少一个检测质块，所述至少一个检测质块具有与感应轴正交布置的平面结构； 具有至少一个第二梳的至少一个驱动电极，所述至少一个第二梳被配置成与所述至少一个第一梳哨合； 第一电极，面向所述至少一个检测质块的第一侧，和第二电极，面向所述至少一个检测质块的第二侧，其中，所述至少一个检测质块的第一侧和第二侧与感应轴正交；和 控制电路，被配置为 向第一电极施加第一直流(DC)电压,且向第二电极施加第二 DC电压，以便相对于所述至少一个驱动电极的至少一个梳沿所述感应轴的位置调整所述至少一个检测质块的至少一个梳沿所述感应轴的位置。
3.一种用于校准微机电系统(MEMS)振动结构陀螺仪的方法，该方法包括 向至少一个驱动电极施加测试信号； 向至少一个检测质块系统地施加不同的测试静电力； 测量所述至少一个驱动电极和所述至少一个检测质块之间的电容，以获得与不同测试静电力相对应的多个电容； 选择不同静电力中的第一静电力，所述第一静电力对应于所述电容中的最大电容；并在所述至少一个检测质块的操作期间，向所述至少一个检测质块施加第一静电力。
全文摘要
本发明涉及调整MEMS陀螺仪以减小热变偏移。提供了一种用于校准微机电系统(MEMS)振动结构陀螺仪的方法。该方法包括获得至少一个检测质块相对于至少一个驱动电极的位置的指示，以及根据所述指示，向至少一个检测质块施加静电力，所述静电力被配置为将至少一个检测质块定位在相对于至少一个驱动电极的第一位置。
文档编号G01C19/5776GK102768038SQ201210181898
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月26日 优先权日2011年4月27日
发明者H·B·弗伦奇, R·苏皮诺 申请人:霍尼韦尔国际公司