用于改進mems陀螺儀啟動時間的系統和方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]在微機電(MEMS)設備陀螺儀中，檢測質量(proof mass)被振蕩以在諧振頻率下振動。該振蕩被控制回路鎖定到諧振頻率，該控制回路感測檢測質量的運動，并向一組驅動電極提供反饋信號。與MEMS陀螺儀一起工作中的一個挑戰是開發具有快速啟動時間(start time)的設備。也就是說，當MEMS陀螺儀被首先啟動時，檢測質量不操作，并且因此不存在進入控制回路的調節驅動電極的信號。但是隨著檢測質量繼續被驅動，小的信號將開始形成。在啟動的初始階段期間，這個信號在幅度方面非常小，并且容易被感測檢測質量的運動的拾取線上的較高幅度噪聲所掩蓋(mask)。拾取線上的此噪聲進入控制回路，并且導致驅動電極的錯誤的反饋信號，從而增加了檢測質量到達它們的操作諧振頻率所必要的時間量。
[0002]可以掩蓋真正的檢測質量運動信號的一個重要的噪聲源是載送驅動信號至驅動電極的電路板跡線以及載送感測的運動信號至控制回路的拾取跡線之間的寄生耦合。電路板布局的建模和仿真可能大大有助于設計用于降低或者至少平衡設備部件之間的耦合的MEMS設備的電路板。然而，用于MEMS設備的此類模型在其準確地預測制造的MEMS設備中的耦合的能力的方面固有地被限制。此外，設備制造商固有地被限制到制造公差，其可能通過預制建模而引入不容易計及的未知量。
[0003]由于上文表述的原因以及由于下文表述的在閱讀和理解說明書時對于本領域技術人員將變得顯而易見的其它原因，本領域中存在對于用于改進MEMS陀螺儀啟動時間延遲的系統和方法的需要。
【發明內容】
[0004]本發明的實施例提供了用于改進MEMS陀螺儀啟動時間延遲的系統和方法的方法和系統，并且將通過閱讀和學習以下說明書被理解。
[0005]提供了用于改進MEMS陀螺儀啟動時間的系統和方法。在一個實施例中，提供了一種用于微機電(MEMS)陀螺儀系統的電路板，該電路板包括:檢測質量組件；由第一檢測質量運動傳感器拾取線和第二檢測質量運動傳感器拾取線耦合到該檢測質量組件的檢測質量控制回路，其中該檢測質量控制回路生成一組驅動信號，其使用來自第一檢測質量運動傳感器拾取線的第一電容信號以及來自第二檢測質量運動傳感器拾取線的第二電容信號操作該檢測質量組件；以及連接到第一檢測質量運動傳感器拾取線和第二檢測質量運動傳感器拾取線的至少一個的可調諧電容耦合器，其中可調諧電容耦合器作為該組驅動信號的函數來改變該第一和第二電荷信號(charge signal)中的至少一個。
【附圖說明】
[0006]當鑒于優選實施例的描述和下面各圖考慮時，本發明的實施例可以被更加容易地理解，并且其更多的優點和使用更加顯而易見，其中:
[0007]圖1是圖示出本公開的一個實施例的系統的框圖；
[0008]圖1A是圖示出本公開的一個實施例的替代系統的框圖；
[0009]圖2是圖示出本公開的一個實施例的方法的流程圖。
[0010]根據慣例，各種描述的特征并未按比例繪制，而是被繪制成強調與本發明相關的特征。遍及各圖和文本，參考字符表示相似的元件。
【具體實施方式】
[0011]在下面的詳細描述中，參照形成其一部分的附圖，并且在附圖中通過其中可以實施本發明的特定說明性實施例而示出。這些實施例被充分詳細地描述以使得本領域技術人員能夠實施本發明，并且應理解的是，可以利用其它實施例，并且在不脫離本發明的范圍的情況下可以作出邏輯、機械和電氣改變。因此，下面的詳細描述并非是以限制性意義進行。
[0012]本公開的實施例通過將制造后(post fabricat1n)可調諧平衡親合機構集成到電路板中而解決了 MEMS陀螺儀中延遲的啟動時間的問題，該平衡耦合機構引入了將抵消驅動信號和檢測質量運動拾取信號之間的寄生耦合的耦合。更具體地，在制造期間，一對耦合接受器跡線(receptor trace)被根除離開(stub off)提供到檢測質量驅動器電動機控制回路的輸入的檢測質量運動傳感器拾取線。在一個實施例中，一個耦合接受器跡線與拾取線的每個極性配對，從而電動機驅動輸出信號被故意地耦合到兩個耦合接受器跡線的兩者上作為反饋耦合。在包括這些耦合接受器跡線的電路板的制造之后，該板可以被分析以確定仍進入該控制回路的寄生耦合的幅度。根據該分析，可以調整兩個耦合接受器跡線的相對長度，以進一步抵消在該分析期間發現的任何寄生耦合。也就是說，通過調整兩個耦合接受器跡線中的一個相對于另一個的長度，可以調整應用到進入該控制回路的拾取線的每個中的反饋耦合，以抵消由寄生耦合引入到控制回路中的噪聲。在來自此寄生噪聲的源的噪聲被有效地最小化的情況下，控制回路將在更接近地表示檢測質量的實際運動的輸入上操作，以用于形成控制信號來驅動檢測質量驅動信號。因此，MEMS陀螺儀檢測質量將更加快速地集中在它們的操作頻率上。
[0013]圖1是圖示出本發明的一個實施例的MEMS陀螺儀100的圖。MEMS陀螺儀100包括包含檢測質量111和115的檢測質量(PM)傳感器組件110、一組PM驅動電極112和114、以及一組PM運動拾取器116和118。操作中，檢測質量111和115被振蕩以在由機械性質控制的諧振頻率下振動。在圖1中所示的實施例中，檢測質量111由驅動電極112振動，而檢測質量115由驅動電極114振動。這些振蕩被控制回路135鎖定至諧振頻率ω，所述控制回路135感測來自相應的檢測質量運動傳感器拾取線120、122的檢測質量111和115的運動，并且提供驅動驅動電極112、114的電壓信號140、142。更具體地，在圖1中所示的實施例中，檢測質量111的運動由ΡΜ運動拾取器116感測，而檢測質量115的運動由ΡΜ運動拾取器118感測。在替代實施例中，可以使用感測梳(sense comb)、電極板或者通過感測電荷或電容變化來檢測和測量運動的其它類似設備以各種方式實施PM運動拾取器116和118。
[0014]控制回路135包括電荷放大器(CA) 130，例如，其可以使用跨阻抗放大器來實施。CA 130輸入來自檢測質量運動傳感器拾取線120、122的電荷信號，并且將電壓信號輸出至PM電動機控制器132，其作為那些電荷信號的函數而變化。基于由CA 130所提供的電壓信號，PM電動機控制器132生成被用來控制檢測質量111和115的輸出信號，并且驅動它們在PM傳感器組件110的機械諧振頻率ω下振蕩。檢測質量中的每個還被驅動成使得它們彼此異相180度來振蕩。電動機驅動加法器134生成兩個異相信號，將那個結果提供至電動機驅動器136，其生成應用到ΡΜ驅動電極112、114中的每個的驅動信號140、142。
[0015]在本公開的實施例中，利用耦合接受器跡線150和155來拾取(雖然電容耦合)驅動信號140、142的一個的一部分，并且故意地將此信號引入到檢測質量運動傳感器拾取線120,122中。在此公開之前，驅動信號到傳感器拾取線中的流入已將被視為“噪聲”，其干擾ΡΜ電動機控制回路135的操作，并且將延遲獲得和保持處于諧振的檢測質量111、115。然而，使用本公開的實施例，那個信號被用作反饋耦合，以抵消從其它寄生耦合源到傳感器拾取線120、122上的驅動信號的任何寄生耦合。如下面更詳細地解釋的，在包括系統100的電路板105的制造之后，耦合接受器跡線150、155可以被“調諧”以產生耦合到傳感器拾取線120、122上的反饋，該反饋與出現在傳感器拾取線120、122上的任何寄生耦合的信號反向相同(或者非常接近這樣)。反饋耦合信號以及凈寄生耦合信號將因此在傳感器拾取線120、122上合計為零(或者接近零)，使得到ΡΜ電動機控制回路135中的輸入更加接近地類似由ΡΜ運動拾取器116和118測量的真實電荷信號。
[0016]為了便于驅動信號到耦合接受器跡線150、155上的控制耦合，電動機驅動信號線144被分接于(tap off)來自電動機驅動器136的驅動信號140、142中的一個。在一個實施例中，耦合接受器跡線150和155分別沿著電動機驅動信號線144的端部145的相對側延伸(run)，以形成電容耦合器158。在操作中，第一電勢152在耦合接受器跡線150和電動機驅動信號線144之間形成，其是它們之間的耦合因子的函數。類似地，與第一電勢152極性相反的第二電勢157在耦合接受器跡線155和電動機驅動信號線144之間形成，其是它們之間耦合因子的函數。由于這些電勢的形成，從耦合接受器跡線150到耦合接受器跡線155形成了小的電容。電動機驅動信號線144上出現的電動機驅動信號的電壓的變化因此將表示為耦合接受器跡線150和155之間的電容的變化，并因而被CA130感測。通過調整耦合接受器跡線中的一個相對另一個的長度，可以控制耦合接受器跡線150和155上出現的電動機驅動信號的此反饋耦合的增益和極性兩者。也就是說，跡線150和155之間的耦