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专利名称：传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器。更具体地但并不唯一地涉及诸如具有命令内建测试(commanded built in test) (CBit)的惯性传感器的传感器,例如加速计和陀螺仪。
背景技术：
多种惯性传感器是已知的。包含MEMS型环的角速度传感器是已知的且这种示例可以在例如GB2322196中看到。在这种角速度传感器中公开了振动平面环或类环结构。类环结构通过合适的支撑座悬在空间中以用于检测旋转速度、线性加速度和角加速度。旋转速度通过检测科里奥利(Coriolis)力耦合的振动而被感知，而线性加速度和角加速度通过整个环或类环结构在其底座中的横向的、纵向的及摇摆的运动而被感知。用于用户指示MEMS速度传感器检查的能力先前已经受到连接性检查的限制。典型的MEMS速度传感器用户检查或者仅仅迫使MEMS结构结束限制或者在变化范围中的容差使得操作的受限信息能够被完成。并且这些检查常常提供完整系统操作非常有限的范围。

发明内容
根据本发明，提供了一种角速度传感器，该角速度传感器包括具有初级和次级元件的环形传感器，该传感器进一步包括连接至所述初级元件和次级元件的初级通道和次级通道，所述初级通道包括用于启动和保持初级元件中的共振的初级驱动装置，所述次级通道包括用于检测由次级元件响应于传感器的运动而生成的信号的检测装置，检测装置包括差分放大器和根据传感器的运动生成输出信号的同步检波器，其中所述次级通道进一步包括测试装置，当可操作时，测试装置将信号输入至次级通道差分放大器的两个通道上，所述信号分别具有相位差以便在输出信号中产生偏差，所述偏差表明传感器的状态。


现在将参考附图描述本发明，其中 图I是符合本发明的一种形式的角速度传感器的示意图，其包括能够测试初级MEMS敏感元件转换器(pickoff transducer )、初级敏感元件放大器、次级敏感元件放大器、初级自动增益控制(AGC)环、初级锁相环和压控振荡器、初级驱动器、初级MEMS驱动转换器和初级通道敏感元件移相器(PP90)的命令内建测试(CBit);以及图2是进入图I的角速度传感器的敏感元件放大器的CBit信号注入电路的一种形式的示意图。
具体实施例方式如图I所示，角速度传感器的MEMS环结构I包括内部2和外部3，其边缘绕着共同轴的延伸且因此分别进行的驱动和敏感元件操作。提供了引起传感器在支架(未示出)上振动的压电式初级驱动装置4。该支架可以包括多个固定支撑梁(未示出)以用于支撑传感器并用于允许其响应于在基本无阻尼振荡模式中的压电式初级驱动装置的输入的振动。这能够使共振器响应于包括传感器的系统的旋转速度而相对于支撑装置运动。提供了检测电路5，将一连串的信号6从传感器输入至该检测电路。由传感器输出的信号包括初级敏感元件信号6a和次级敏感元件信号6b且转换器板被布置以使信号具有差分形式。这些信号从传感器的初级和次级部分输出。初级敏感元件差分转换器信号被输入至差分电荷放大器(初级敏感元件放大器)7，该差分电荷放大器提供高等级的增益以在载波频率上提供低噪声差分正弦输出信号。然后该信号通过同步检波器8并进行适当的滤波以向初级驱动电路I提供控制信号，以设置用于MEMS的驱动等级，以确保初级敏感元件放大器的输出处于受控的固定等级。初级敏感元件放大器7的输出还用于初级锁相环(PLL)和压控振荡器(VC0)10，其锁定敏感元件信号以提供用于同步检波器8的时钟。初级敏感元件放大器7的输出还应用于初级移相电路11，其通过两个因素中的一者放大信号并将差分信号的相位移动90°。移相电路11的输出被应用于初级驱动电路1，其通过AGC控 制信号增加移相电路11的微分正弦输出以生成差分MEMS驱动波形。移相电路11的输出被应用于命令BIT (CBit)注入电路12，当CBit未被选择时，该CBit注入电路提供高等级的阻断，而当CBit被选择时，该CBit注入电路在差分信号的衰减情况中耦合至又一差分电荷放大器(次级敏感元件放大器)13的差分输入。然后注入的差分信号由次级敏感元件放大器13放大并具有正确相位来通过速度通道同步检波器14。该同步检波器输出有关所注入的差分信号的振幅的偏移，然后该偏移被过滤并被转换成速度输出信号上的单端偏移并被输入至ADC 15。Cbit的要求是进行尽可能多的系统测试以提供相对已知的输出。在使能信号的控制下，具有90度相移的差分初级敏感元件信号可以被注入至次级敏感元件放大器13的差分输入中，而不是物理地位于环上的敏感元件。该信号具有正确相位以便被解调并被用于提供速度输出的可控输出。其测试初级敏感元件MEMS转换器、初级敏感元件放大器7、初级AGC环、初级PLL和VCO通道10、初级驱动电路、MEMS初级驱动转换器、初级移相电路(PP90) 11及次级敏感元件放大器13、速度通道14、速度输出和ADC15。当次级敏感元件放大器13具有高增益时，必须使信号衰减以避免速度通道14的饱和。此外，用于速度输出级的速度设置是未知的，因此较小的信号被用于避免速度输出的饱和。图2示出了用于更详细描述的方法。在两个差分输入上的求和点处将信号添加至次级敏感元件电荷放大器13。其通过小电容器Cinj (260fF)耦合以创建0.007(Cfb=25. 8pF)的第一级增益。随同5:1的输入衰减器(Ril=200k，Ri2=50k)和35的第二级增益，整个增益为0. 05。因此初级相移电路(PP90)输出上的500mV峰值信号创建25mV峰值的次级敏感元件信号。在Cbit使能的情况下，信号以速度通道解调器时钟的相位出现在次级敏感元件放大器13的输出上。在该模式中，在速度输出信号(模拟信号和数字信号二者)上可见大约50deg/sec (50度/秒)的偏移。当CBIT有效时，该偏移证明了陀螺仪对于用户的正确操作。在这种方式中，用户指示测试功能(CBit)使用来自初级共振持续环的信号以在次级速度检测通道中产生干扰。
在测试的应用中，来自初级共振持续环的正确定相的信号被耦合至电子次级速度检测通道的前端中，并被衡量为合适的等级。其通过完整的速度检测通道并在普通速度信号的输出信号中提供可测量的变化。在从初级共振持续环的差分MEMS转换器输出产生干扰的情况下，确定系统已经锁定共振频率并确定运动的共振持续环的振幅被正确地控制。在干扰被耦合至电子速度检测通道的最前级的情况下，完整的速度检测通道被检查(除了在环上的次级敏感元件转换器)。容差是速度信号干扰的量级可以被用于检测在初级共振持续环和次级速度检测通道二者中的电路的部分丢失，即使未识别哪个电路元件已经出故障。当禁用时，通过串并联开关的使用，Cbit注入路径具有阻断的高等级(Rmax_ on=lk)。另外当求和节点直接连接至敏感元件接合板时,注入块的输出具有50ohm的串联电阻器以提供电流限制(用于静电(ESD )保护)。为了使Cbit给出正确的偏移，初级环部分的锁相环和VOC 10必须被锁定以能够使初级差分敏感元件信号存在。AGC 16必须操作以给出正确的振幅并因而给出初级敏感元件振幅的正确等级。初级敏感元件和初级移相电路11必须操作以通过Cbit注入电路12将初级驱动信号和差分信号提供至次级环。初级驱动器必须操作以关闭初级电路周围的环路并且次级敏感元件放大器13必须运行以给出处于速度通道解调器的正确等级。速度通道解调器、过滤器、抽取滤波器和阶式滤波器必须被纠正以向速度输出级提供正确的等级。另外，速度输出增益的设置必须被纠正以达到输出上的预期偏移并且最后ADC 15和ADC相关部分必须正确地操作以达到数字速度输出上的正确偏移。在本发明的第二实施例中，初级和次级通道的操作大体上是一样的，初级通道包括接收来自环上的初级敏感元件的信号的同步检波器8，其输出反馈至初级驱动器，并且在振幅中被AGC控制。这给出了初级环路的闭环操作。次级通道在开环中操作，因此没有反馈。在初级环路中，具有锁相环以通过VCO装置控制初级环路的频率。次级通道获得在环上次级转换器处耦合的科里奥利(Coriois)信号。给出反相信号的孔环内部和外部上存在电极。这些反相信号被注入至差分放大器13的两个输入端，差分放大器13的输出提馈送至次级同步放大器14并从那里提供至速度输出。并且在环上的45deg和225deg的信号(次级敏感元件)与在135deg和315deg的信号是反相的。这假设初级侧具有敏感元件和在0、90、180和270度的驱动转换器。因此我们拥有如图I所示的4个同相的次级敏感元件及4个异相敏感元件(位于环的外部的4个电极和位于环的内部的4个电极)。该两个异相信号进入次级通道电荷放大器13的差分放大器的输入，其中来源于初级信号的CBIT被注入。然后其进入次级同步放大器并从这里作为速度输出信号。CBIT注入的信号因此引起速度输出信号的偏差，而不是具有单独测试输出通道。在本发明的第三实施例中，其中所有相似标号的部分与上文所描述的具有同样的功能，在来自用户的信号指示下，来自初级通道的两个信号经由适当的衰减电路被注入至次级通道差分放大器13虚拟接地点的两个输入上。两个信号处于相对于初级驱动波形的0°相位的180°相位。第一信号连接至次级敏感元件差分放大器13输入中的一者并且第二信号连接至差分放大器13的另一输入。各个信号的振幅是不同的。因此差分放大器产生输出，该输出是有关两个应用的信号的振幅中的差异。该差异将通过速度通道同步检波器14并引起(cause)用户可测量的速度信号中变化。两个应用信号的振幅中差异的适当选择将允许单输入通道故障的检测以及初级和次级通道的正确操作。在本发明的第四实施例中，在来自用户的信号指示下，来自初级通道的两个信号经由适当的衰减电路被注入至次级通道差分放大器13虚拟接地点的两个输入上。该信号 处于相对于初级驱动波形的0°相位的45°和225°相位。第一信号被连接至次级敏感元件差分放大器13输入中的一者且第二信号被连接至差分放大器13的另一输入。然后差分放大器13将产生输出，该输出是有关两个应用的信号的振幅中的差异。与速度通道同步检波器14的时钟同相的应用信号的部分将通过速度通道同步检波器14并引起用户可测量的速度信号中的变化。与四通道同步检波器18时钟同相的应用信号的部分将通过四通道同步检波器18并且引起四通道信号中的变化。这将允许信号输出通道故障的检测以及初级和次级通道的正确操作。另外必要时允许检查正交通道功能。在本发明的第五实施例中，在来自用户的信号指示下，两个信号来源于初级通道的四个信号，所述两个信号经由适当的衰减电路被注入至次级通道差分放大器13虚拟接地点的两个输入上。这四个信号处于相对于初级驱动波形的0°相位的-90°、+90°、0°和180°相位。这些从初级电路的两个部分生成。这产生了 45°和255°的信号，其中一个信号被连接至次级敏感元件差分放大器13输入的一者且另一信号被连接至差分放大器13的另一输入。然后差分放大器13将产生输出，该输出是有关两个应用信号的振幅中的差异。与速度通道同步检波器14时钟同相的应用信号的部分将通过速度通道同步检波器14并且引起用户可测量的速度信号中的变化。与四通道同步检波器18时钟同相的应用信号的部分将通过四通道同步检波器18并且引起四通道信号中的变化。这将允许信号输出通道故障的检测以及初级和次级通道的正确操作。另外必要时允许检查正交通道功能。而且当从初级通道的两个点生成信号时，提供附加的初级通道的故障检测。现在将描述本发明的另一实施例，其中使用相似于图I中描述的电路实施CBit并且其中所有执行相同功能的类似组件被标有相似的标号。在该实施例中，当被命令时，电路在次级敏感元件放大器13的输出处提供相对于速度14和正交解调器时钟的45°的偏移。因此该偏移包含与速度通道解调器时钟同相的信号的组件，并因而提供通过速度通道的可以在速度信号上看见的偏移，还包含与正交调节器时钟同相的信号的组件，因而提供通过正交通道的可以在正交信号上看见的偏移。通过随后的方法产生45°的偏移。0°相位的初级敏感元件信号将适当的衰减用于差分次级敏感元件放大器13的输出中的一者。90°相位偏移的初级敏感元件信号将适当的衰减用于差分次级敏感元件放大器13的另一输出。然后次级敏感元件放大器将两个信号混合并产生45°输出信号。在该实施例中，至Cbit注入电路12的连接来自初级通道中的两个不同接点且现在四通道使用一个或两个ADC电路(未示出)馈送ADC。通过实施上述方式的电路，提供了除了上文描述的Cbit实施外的其它故障检测范围。例如，电路可以检测从MEMS次级敏感元件转换器2至次级敏感元件放大器的线焊连接的失败。线焊的失败引起差分次级敏感元件放大器的通道上增益的改变。这导致在CBit下改变的输出偏移的有效相位，然后其将改变速度14和正交通道上的偏移测量的等级。其次，现在正交信号被用作系统状况的连续监测的部分。45° Cbit信号的应用允许检查正交监测通道操作以确定正确操作和除了速度通道14之外的增益。再次，生成90°相位偏移敏感元件信号的电路被用于系统的初级通道中的其他地方，并具有其他故障检测等级。当Cbit注 入使用来自该电路之前的一个信号和来自该电路输出的一个信号时，该电路中的增益和相位误差将引起Cbit不正确的偏移并且因此在速度14和正交通道上的等级中的变化是可检测的。另外，使用合适的电路，引起增益变化，由于内部电路故障，在次级敏感元件放大器13电路的一个通道上并会引起Cbit信号输出的相位和偏移变化，并因此在正交和速度14通道的偏移上是可检测的。应当理解上述适用于标准Cbit和45° Cbit变化的所有实施的另一方面不止一个可选择的输出测量范围，偏移等级可以故意选择为不同。这允许不正确的范围选择作为不同于预期等级的Cbit信号上的应用中的偏移被检测。应当理解虽然本发明参照以上描述的类型的环速度传感器来描述，但是可以同样应用于诸如压电环情况的传感器，并同样应用于其他形式的诸如压电式的、电容性的和电感性的转换器。应当进一步理解内部和外部电极仅仅与压电式相关。反相信号可以从来自诸如电感性的或电容性的敏感元件的非压电式敏感元件的45deg至135deg等获得。
权利要求
1.ー种角速度传感器，该角速度传感器包括具有初级元件和次级元件的环型传感器，该传感器进ー步包括连接至所述初级元件和次级元件的初级通道和次级通道，所述初级通道包括用于启动和保持所述初级元件中的共振的初级驱动装置，所述次级通道包括检测装置，该检测装置用于检测由所述次级元件响应于所述传感器的运动而生成的信号，所述检测装置包括差分放大器和根据所述传感器的运动生成输出信号的同步检波器，其中所述次级通道进ー步包括测试装置，在可操作的情况下，该测试装置将信号输入至所述次级通道差分放大器的两个通道上，所述信号分别具有相位差以便产生所述输出信号中的偏移，所述偏移表明所述传感器的状态。
2.根据权利要求I所述的传感器，其中所述初级元件生成输出至所述初级通道的两个初级敏感元件信号，所述初级敏感元件信号通过适当的装置被放大和被相移并且被输入至所述次级通道差分放大器的各自的通道。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述相移是90度。
4.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的传感器，其中所述次级通道差分放大器的输出被输入至速度通道同步检波器和四通道同步检波器，所述速度通道同步检波器具有时钟输入，当测试可操作时，所述差分放大器的输出生成与所述速度通道时钟同相的信号。
5.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的传感器，其中所述初级元件包括在环上0度、90度、180度和270度处的敏感元件和驱动转换器，并且所述次级元件包括45度、135度、225度和315度。
6.根据权利要求5所述的传感器,其中由在环上45度和225度兀件生成的信号与在135度和315度的信号反相。
7.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的传感器，其中所述元件是压电式电扱。
8.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的传感器，其中施加到所述次级通道差分放大器的信号分别具有180度相位差。
9.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的传感器，其中所述初级通道包括同步检波器，该同步检波器接收来自环上的所述初级敏感元件的信号，所述同步检波器的输出反馈至所述初级驱动器，并且通过AGC控制振幅，因此启动所述初级通道的闭环操作。
10.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的传感器，其中用于操作的所述次级通道为开环式，因此不需要反馈。
11.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的传感器，其中所述初级通道进ー步包括通过VCO控制所述初级通道的频率的锁相环。
12.—种如上所述參考附图的传感器。
全文摘要
描述了一种具有命令测试功能的惯性传感器。该传感器示由驱动电路驱动的环型，该传感器进一步包括具有相应信号敏感元件的初级部分和次级部分。初级敏感元件信号振幅经由自动增益控制而被控制，初级锁相环和VCO锁定共振频率以为同步检波器提供时钟，将经由初级相移电路的初级敏感元件信号提供至初级驱动器，次级敏感元件信号被输入至检波器电路以能够检测传感器中的运动。所述命令测试功能包括来自所述电路的初级部分并被输入至次级敏感元件检波器电路中的差分放大器的两个输入端的信号。
文档编号G01C19/5684GK102782448SQ201180012181
公开日2012年11月14日 申请日期2011年3月3日 优先权日2010年3月3日
发明者D·西奇, K·汤森德, M·德斯顿 申请人:硅石传感系统有限公司