用于改进mems陀螺仪启动时间的系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在微机电(MEMS)设备陀螺仪中，检测质量(proof mass)被振荡以在谐振频率下振动。该振荡被控制回路锁定到谐振频率，该控制回路感测检测质量的运动，并向一组驱动电极提供反馈信号。与MEMS陀螺仪一起工作中的一个挑战是开发具有快速启动时间(start time)的设备。也就是说，当MEMS陀螺仪被首先启动时，检测质量不操作，并且因此不存在进入控制回路的调节驱动电极的信号。但是随着检测质量继续被驱动，小的信号将开始形成。在启动的初始阶段期间，这个信号在幅度方面非常小，并且容易被感测检测质量的运动的拾取线上的较高幅度噪声所掩盖(mask)。拾取线上的此噪声进入控制回路，并且导致驱动电极的错误的反馈信号，从而增加了检测质量到达它们的操作谐振频率所必要的时间量。
[0002]可以掩盖真正的检测质量运动信号的一个重要的噪声源是载送驱动信号至驱动电极的电路板迹线以及载送感测的运动信号至控制回路的拾取迹线之间的寄生耦合。电路板布局的建模和仿真可能大大有助于设计用于降低或者至少平衡设备部件之间的耦合的MEMS设备的电路板。然而，用于MEMS设备的此类模型在其准确地预测制造的MEMS设备中的耦合的能力的方面固有地被限制。此外，设备制造商固有地被限制到制造公差，其可能通过预制建模而引入不容易计及的未知量。
[0003]由于上文表述的原因以及由于下文表述的在阅读和理解说明书时对于本领域技术人员将变得显而易见的其它原因，本领域中存在对于用于改进MEMS陀螺仪启动时间延迟的系统和方法的需要。
【发明内容】
[0004]本发明的实施例提供了用于改进MEMS陀螺仪启动时间延迟的系统和方法的方法和系统，并且将通过阅读和学习以下说明书被理解。
[0005]提供了用于改进MEMS陀螺仪启动时间的系统和方法。在一个实施例中，提供了一种用于微机电(MEMS)陀螺仪系统的电路板，该电路板包括:检测质量组件；由第一检测质量运动传感器拾取线和第二检测质量运动传感器拾取线耦合到该检测质量组件的检测质量控制回路，其中该检测质量控制回路生成一组驱动信号，其使用来自第一检测质量运动传感器拾取线的第一电容信号以及来自第二检测质量运动传感器拾取线的第二电容信号操作该检测质量组件；以及连接到第一检测质量运动传感器拾取线和第二检测质量运动传感器拾取线的至少一个的可调谐电容耦合器，其中可调谐电容耦合器作为该组驱动信号的函数来改变该第一和第二电荷信号(charge signal)中的至少一个。
【附图说明】
[0006]当鉴于优选实施例的描述和下面各图考虑时，本发明的实施例可以被更加容易地理解，并且其更多的优点和使用更加显而易见，其中:
[0007]图1是图示出本公开的一个实施例的系统的框图；
[0008]图1A是图示出本公开的一个实施例的替代系统的框图；
[0009]图2是图示出本公开的一个实施例的方法的流程图。
[0010]根据惯例，各种描述的特征并未按比例绘制，而是被绘制成强调与本发明相关的特征。遍及各图和文本，参考字符表示相似的元件。
【具体实施方式】
[0011]在下面的详细描述中，参照形成其一部分的附图，并且在附图中通过其中可以实施本发明的特定说明性实施例而示出。这些实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，并且应理解的是，可以利用其它实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以作出逻辑、机械和电气改变。因此，下面的详细描述并非是以限制性意义进行。
[0012]本公开的实施例通过将制造后(post fabricat1n)可调谐平衡親合机构集成到电路板中而解决了 MEMS陀螺仪中延迟的启动时间的问题，该平衡耦合机构引入了将抵消驱动信号和检测质量运动拾取信号之间的寄生耦合的耦合。更具体地，在制造期间，一对耦合接受器迹线(receptor trace)被根除离开(stub off)提供到检测质量驱动器电动机控制回路的输入的检测质量运动传感器拾取线。在一个实施例中，一个耦合接受器迹线与拾取线的每个极性配对，从而电动机驱动输出信号被故意地耦合到两个耦合接受器迹线的两者上作为反馈耦合。在包括这些耦合接受器迹线的电路板的制造之后，该板可以被分析以确定仍进入该控制回路的寄生耦合的幅度。根据该分析，可以调整两个耦合接受器迹线的相对长度，以进一步抵消在该分析期间发现的任何寄生耦合。也就是说，通过调整两个耦合接受器迹线中的一个相对于另一个的长度，可以调整应用到进入该控制回路的拾取线的每个中的反馈耦合，以抵消由寄生耦合引入到控制回路中的噪声。在来自此寄生噪声的源的噪声被有效地最小化的情况下，控制回路将在更接近地表示检测质量的实际运动的输入上操作，以用于形成控制信号来驱动检测质量驱动信号。因此，MEMS陀螺仪检测质量将更加快速地集中在它们的操作频率上。
[0013]图1是图示出本发明的一个实施例的MEMS陀螺仪100的图。MEMS陀螺仪100包括包含检测质量111和115的检测质量(PM)传感器组件110、一组PM驱动电极112和114、以及一组PM运动拾取器116和118。操作中，检测质量111和115被振荡以在由机械性质控制的谐振频率下振动。在图1中所示的实施例中，检测质量111由驱动电极112振动，而检测质量115由驱动电极114振动。这些振荡被控制回路135锁定至谐振频率ω，所述控制回路135感测来自相应的检测质量运动传感器拾取线120、122的检测质量111和115的运动，并且提供驱动驱动电极112、114的电压信号140、142。更具体地，在图1中所示的实施例中，检测质量111的运动由ΡΜ运动拾取器116感测，而检测质量115的运动由ΡΜ运动拾取器118感测。在替代实施例中，可以使用感测梳(sense comb)、电极板或者通过感测电荷或电容变化来检测和测量运动的其它类似设备以各种方式实施PM运动拾取器116和118。
[0014]控制回路135包括电荷放大器(CA) 130，例如，其可以使用跨阻抗放大器来实施。CA 130输入来自检测质量运动传感器拾取线120、122的电荷信号，并且将电压信号输出至PM电动机控制器132，其作为那些电荷信号的函数而变化。基于由CA 130所提供的电压信号，PM电动机控制器132生成被用来控制检测质量111和115的输出信号，并且驱动它们在PM传感器组件110的机械谐振频率ω下振荡。检测质量中的每个还被驱动成使得它们彼此异相180度来振荡。电动机驱动加法器134生成两个异相信号，将那个结果提供至电动机驱动器136，其生成应用到ΡΜ驱动电极112、114中的每个的驱动信号140、142。
[0015]在本公开的实施例中，利用耦合接受器迹线150和155来拾取(虽然电容耦合)驱动信号140、142的一个的一部分，并且故意地将此信号引入到检测质量运动传感器拾取线120,122中。在此公开之前，驱动信号到传感器拾取线中的流入已将被视为“噪声”，其干扰ΡΜ电动机控制回路135的操作，并且将延迟获得和保持处于谐振的检测质量111、115。然而，使用本公开的实施例，那个信号被用作反馈耦合，以抵消从其它寄生耦合源到传感器拾取线120、122上的驱动信号的任何寄生耦合。如下面更详细地解释的，在包括系统100的电路板105的制造之后，耦合接受器迹线150、155可以被“调谐”以产生耦合到传感器拾取线120、122上的反馈，该反馈与出现在传感器拾取线120、122上的任何寄生耦合的信号反向相同(或者非常接近这样)。反馈耦合信号以及净寄生耦合信号将因此在传感器拾取线120、122上合计为零(或者接近零)，使得到ΡΜ电动机控制回路135中的输入更加接近地类似由ΡΜ运动拾取器116和118测量的真实电荷信号。
[0016]为了便于驱动信号到耦合接受器迹线150、155上的控制耦合，电动机驱动信号线144被分接于(tap off)来自电动机驱动器136的驱动信号140、142中的一个。在一个实施例中，耦合接受器迹线150和155分别沿着电动机驱动信号线144的端部145的相对侧延伸(run)，以形成电容耦合器158。在操作中，第一电势152在耦合接受器迹线150和电动机驱动信号线144之间形成，其是它们之间的耦合因子的函数。类似地，与第一电势152极性相反的第二电势157在耦合接受器迹线155和电动机驱动信号线144之间形成，其是它们之间耦合因子的函数。由于这些电势的形成，从耦合接受器迹线150到耦合接受器迹线155形成了小的电容。电动机驱动信号线144上出现的电动机驱动信号的电压的变化因此将表示为耦合接受器迹线150和155之间的电容的变化，并因而被CA130感测。通过调整耦合接受器迹线中的一个相对另一个的长度，可以控制耦合接受器迹线150和155上出现的电动机驱动信号的此反馈耦合的增益和极性两者。也就是说，迹线150和155之间的耦