(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の多機能センサデバイスにおけるオフセットのばらつきを低減するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】多機能センシングデバイス１００は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ１１０および少なくとも１つの第２のセンサ１１２を含む。ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０は、第１のクロック信号を生成するように構成されており、第２のセンサは、第２のクロック信号を含む。多機能センシングデバイスはリセット機構１１４をさらに含み、リセット機構１１４は、第２のクロック信号の第１のクロック信号に対する相対周期位相整合を設定するためのリセット信号を生成するように構成されている。ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０のクロックに対する、他のセンサデバイス１１２に対するクロックの相対周期位相整合を一貫して設定することで、複数のセンシングデバイスにおいて変動する出力オフセットが発生する可能性を低減する。【選択図】図１
2014174166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多機能センシングデバイスであって、該多機能センシングデバイスは、
微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープであって、該ＭＥＭＳジャイロスコープは第１のクロック信号を生成するように構成されている、ＭＥＭＳジャイロスコープと、
リセット機構であって、該リセット機構は前記第１のクロック信号のエッジに応答してリセット信号を生成するように構成されている、リセット機構と、
第２のセンサであって、該第２のセンサは少なくとも１つの第２のクロック信号を含み、該第２のセンサは前記リセット信号を受信して、該リセット信号に応答して前記第２のクロック信号と前記第１のクロック信号との間の相対周期位相整合を設定するように構成されている、第２のセンサとを備える、多機能センシングデバイス。
【請求項２】
前記ＭＥＭＳジャイロスコープはマスタクロック信号をさらに生成し、前記第２のセンサは、前記マスタクロック信号と前記第２のクロック信号が同期するように前記マスタクロック信号を使用して前記第２のクロック信号を生成する、請求項１に記載の多機能センシングデバイス。
【請求項３】
前記リセット信号は前記ＭＥＭＳジャイロスコープにさらに結合され、前記リセット信号は、前記ＭＥＭＳジャイロスコープ内の前記第１のクロック信号のレートよりも低いレートで動作する回路をリセットするために使用される、請求項１に記載の多機能センシングデバイス。
【請求項４】
前記第２のセンサは、慣性センサおよび圧力センサ、磁気センサ、電磁放射センサ、光センサ、温度センサ、湿度センサ、応力センサ、歪みセンサ、ならびに化学的検出センサから成る群から選択されるセンサを備える、請求項１に記載の多機能センシングデバイス。
【請求項５】
前記多機能センシングデバイスは、第３のクロック信号を含む第３のセンサを含み、該第３のセンサは、前記リセット信号を受信し、該リセット信号に応答して前記第３のクロック信号と前記第１のクロック信号との間の相対周期位相整合を設定するように構成されている、請求項１に記載の多機能センシングデバイス。
【請求項６】
前記リセット機構はリセット要求信号を受信するように構成されており、前記リセット機構は、前記リセット要求信号に続いて前記第１のクロック信号の前記エッジが受信されるのに応答して前記リセット信号を生成することによって、前記第１のクロック信号の前記エッジに応答して前記リセット信号を生成するように構成されている、請求項１に記載の多機能センシングデバイス。
【請求項７】
前記第１のクロック信号は前記ＭＥＭＳジャイロスコープの機械的振動に位相ロックされている、請求項１に記載の多機能センシングデバイス。
【請求項８】
前記第１のクロック信号は前記ＭＥＭＳジャイロスコープの機械的振動に位相ロックされているクロックの分数調波である、請求項１に記載の多機能センシングデバイス。
【請求項９】
前記第２のセンサはＭＥＭＳセンサであり、前記ＭＥＭＳジャイロスコープおよび前記第２のセンサは同じ基板上に形成されている、請求項１に記載の多機能センシングデバイス。
【請求項１０】
センシングデバイスであって、
微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープであって、該ＭＥＭＳジャイロスコープは該ＭＥＭＳジャイロスコープ内の機械的振動または該機械的振動の分数調波に位相ロックされている第１のクロック信号を生成するように構成されている、ＭＥＭＳジャイロスコープと、
リセット機構であって、該リセット機構は、前記第１のクロック信号およびリセット要求信号を受信するように構成されており、該リセット機構は、前記リセット要求信号の受信、および、該リセット要求信号の受信に続く前記第１のクロック信号のエッジに応答してリセット信号を生成するように構成されている、リセット機構と、
第２のＭＥＭＳセンサであって、該第２のＭＥＭＳセンサは第２のクロック信号を含み、該第２のＭＥＭＳセンサは、ＭＥＭＳ慣性センサおよびＭＥＭＳ圧力センサから成る群から選択され、該第２のＭＥＭＳセンサは、前記リセット信号を受信し、該リセット信号に応答して前記第２のクロック信号と前記第１のクロック信号との間の相対周期位相整合を設定するように構成されている、第２のＭＥＭＳセンサと、
第３のＭＥＭＳセンサであって、該第３のＭＥＭＳセンサは第３のクロック信号を含み、該第３のＭＥＭＳセンサは、ＭＥＭＳ慣性センサおよびＭＥＭＳ圧力センサから成る群から選択され、該第３のＭＥＭＳセンサは、前記リセット信号を受信し、該リセット信号に応答して前記第３のクロック信号と前記第１のクロック信号との間の相対周期位相整合を設定するように構成されている、第３のＭＥＭＳセンサとを備える、センシングデバイス。
【請求項１１】
前記リセット信号は前記ＭＥＭＳジャイロスコープにさらに結合され、前記リセット信号は、前記ＭＥＭＳジャイロスコープ内の前記第１のクロック信号のレートよりも低いレートで動作する回路をリセットするために使用される、請求項１０に記載のセンシングデバイス。
【請求項１２】
多機能センシングデバイスを動作させる方法であって、該多機能センシングデバイスは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープおよび第２のセンサを含み、該方法は、
前記ＭＥＭＳジャイロスコープ内の第１のクロック信号を生成するステップと、
前記第１のクロック信号に対する前記第２のＭＥＭＳセンサ内の第２のクロック信号の間の相対周期位相整合を設定するステップとを備える、方法。
【請求項１３】
前記第２のセンサは、慣性センサおよび圧力センサ、磁気センサ、電磁放射センサ、光センサ、温度センサ、湿度センサ、応力センサ、歪みセンサ、ならびに化学的検出センサから成る群から選択されるセンサを備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記多機能センシングデバイスは第３のセンサをさらに含み、前記方法は、前記第１のクロック信号に対する前記第３のセンサ内の第３のクロック信号の間の相対周期位相整合を設定するステップをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＭＥＭＳジャイロスコープ内の前記第１のクロック信号のレートよりも低いレートで動作する回路をリセットするステップをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１のクロック信号に対する前記第２のセンサ内の前記第２のクロック信号の間の相対周期位相整合を設定するステップは、前記第１のクロック信号およびリセット要求信号を受信するステップと、前記リセット要求信号に続いて前記第１のクロック信号のエッジが受信されるのに応答してリセット信号を生成するステップを備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のクロック信号は前記ＭＥＭＳジャイロスコープの機械的振動に位相ロックされている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のクロック信号は前記ＭＥＭＳジャイロスコープの機械的振動に位相ロックされているクロックの分数調波である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のクロック信号に対する前記第２のセンサ内の前記第２のクロック信号の間の相対周期位相整合を設定するステップは、前記第２のクロック信号を生成するために前記マスタクロック信号を使用してマスタクロック信号を受信するステップを備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２のセンサはＭＥＭＳセンサであり、前記ＭＥＭＳジャイロスコープおよび前記第２のセンサは同じ基板上に形成されている、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。より具体的には、本発明は、多機能ＭＥＭＳセンサデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、従来のバッチ半導体処理技法を使用して非常に小さな電気機械構造を作成する方法を提供するため、近年において広く高い評判を勝ち得ている。ＭＥＭＳの１つの一般的な用途が、センサデバイスの設計および製造である。ＭＥＭＳセンサは、自動車、慣性誘導システム、家庭用電化製品、ゲームデバイス、さまざまなデバイスのための保護システム、ならびに、多くの他の産業、科学、および工学システムのような用途に広く使用されている。
【０００３】
ＭＥＭＳセンサの１つの例が、ＭＥＭＳジャイロスコープである。代替的に「角速度センサ」、「ジャイロスコープ」、「ジャイロメータ」、「振動ジャイロスコープ」、「ジャイロスコープセンサ」または「ヨー・レート・センサ」と称されるＭＥＭＳジャイロスコープは、１つ以上の軸を中心とした角回転または運動速度を感知する。ＭＥＭＳジャイロスコープは、さまざまなセンシング用途に広く使用されている。たとえば、車両または自動車用途は、車両エアバッグを展開するか、または安定制御システムおよび／もしくはトラクション・コントロール・システムを起動するときを決定するためにＭＥＭＳジャイロスコープを使用する場合がある。加えて、ビデオ・ゲーム・コントローラ、パーソナル・メディア・プレーヤ、携帯電話、およびデジタルカメラのような家庭用電子機器も、デバイスの向きを追跡し、かつ／またはその回転運動に応答するためにさまざまな用途においてＭＥＭＳジャイロスコープを使用する。
【０００４】
ＭＥＭＳセンサデバイスの他の例は、ＭＥＭＳ慣性センサおよびＭＥＭＳ圧力センサを含む。概して、ＭＥＭＳ慣性センサは、加速を含むさまざまな異なるタイプの慣性変化を感知するように構築および構成されることができる。同様に、ＭＥＭＳ圧力センサは、さまざまなタイプの圧力変化を感知するように構成されることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
以下の図面と併せて考察して詳細な説明および請求項を参照することで、より完全に本発明を理解することができる。これらの図面では全般にわたり同様の参照符号は類似の項目を示している。
【０００６】
【図１】本発明の一実施形態に応じた多機能センシングデバイスの概略図。
【図２】本発明の一実施形態に応じた多機能センシングデバイスの概略図。
【図３】本発明の別の実施形態に応じた多機能センシングデバイスの概略図。
【図４】本発明の一実施形態に関する例示的なタイミング波形を示すタイミング図。
【図５】多機能センサデバイスにおけるさまざまなクロックの例示的なタイミング波形を示すタイミング図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
下記の詳細な記載は本来説明のためのものに過ぎず、本主題の実施形態またはこのような実施形態の適用および使用を限定することを意図しない。さらに、上記技術分野、背景技術、または以下の詳細な説明で提示される、いかなる表示または暗示された理論によっても束縛されることは意図されていない。
【０００８】
以下の記載は、ともに「接続される」または「結合される」ものとして要素もしくはノードまたは特徴に言及している。本明細書において使用される場合、別途明確に述べられていない限り、「接続される」とは、１つの要素が別の要素に直接的に結び付けられている（または直接的にそれと通信する）ことを意味し、必ずしも機械的にではない。同様に、別途明確に述べられていない限り、「結合される」とは、１つの要素が別の要素に直接的にまたは間接的に結び付けられている（または直接的にもしくは間接的にそれと通信する）ことを意味し、必ずしも機械的にではない。従って、図面に示されている概略図は要素の例示的な構成を図示しているが、追加の介在する要素、デバイス、特徴、または構成要素が図示される主題の実施形態において存在してもよい。
【０００９】
簡潔にするために、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）作成および開発、ＭＥＭＳセンシング、アナログ回路設計、ならびにシステムの他の機能的態様（およびシステムの個々の動作構成要素）に関連する従来の技法は、本明細書において詳細に説明されていない場合がある。さらに、本明細書に含まれるさまざまな図面において示されている接続線は、さまざまな要素間の例示的な機能的関係および／または物理結合を表すように意図されている。なお、多くの代替形態または追加の機能的関係または物理接続が本主題の一実施形態において存在してもよい。本明細書に記載の回路は、シリコンもしくは別の半導体材料、または代替的にそのソフトウェアコード表現のいずれかにおいて実装されてもよいことは理解されたい。加えて、特定の専門用語は以下の説明においては参考のみを目的として使用されている場合もあり、従って、限定であるようには意図されておらず、構造を指す「第１の」、「第２の」といった用語、および他のこのような数に関する用語は文脈において明確に指示されていない限り、並びまたは順序を暗示してはいない。
【００１０】
本明細書に記載のさまざまな実施形態は、改善された多機能センシングを提供するためのシステムおよび方法を提供する。これらの実施形態において、多機能センシングデバイスは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープおよび少なくとも１つの第２のセンサを含む。ＭＥＭＳジャイロスコープは、第１のクロック信号を生成するように構成されており、第２のセンサは、第２のクロック信号を含む。多機能センシングデバイスはリセット機構をさらに含み、リセット機構は、第１のクロック信号に対する第２のクロック信号の相対周期位相を整合させるためのリセット信号を生成するように構成されている。下記により詳細に説明するように、ＭＥＭＳジャイロスコープのクロックに対する他のセンサデバイスのクロックの相対周期位相を整合させることで、複数のセンシングデバイスにおいて変動する出力オフセットが発生する可能性を低減することによってデバイスの性能を改善することができる。
【００１１】
特定の実施形態において、多機能センシングデバイスは、リセット機構と、ＭＥＭＳジャイロスコープと、少なくとも第２のＭＥＭＳセンサおよび第３のＭＥＭＳセンサとを含む。この実施形態において、第１のＭＥＭＳセンサおよび第２のＭＥＭＳセンサは両方とも、ＭＥＭＳ慣性センサおよびＭＥＭＳ圧力センサから成る群から選択される。ＭＥＭＳジャイロスコープは、ＭＥＭＳジャイロスコープ内の振動質量部の機械的振動の少なくとも分数調波と整合した第１のクロック信号位相を生成するように構成されている。第２のＭＥＭＳセンサは第２のクロック信号を含み、第３のＭＥＭＳセンサは第３のクロック信号を含む。リセット機構は、第１のクロック信号およびリセット要求信号を受信するように構成されている。リセット機構は、リセット要求信号の受信に応答して第１のクロック信号のエッジに続いてリセット信号を生成するように構成されており、リセット信号は、第２のクロック信号および第３のクロック信号に第１のクロック信号と位相整合させるために、第２のＭＥＭＳセンサおよび第３のＭＥＭＳセンサに結合される。具体的には、第２のクロック信号、第３のクロック信号、および第１のクロック信号の間で相対周期位相整合を設定するためである。ここでも、下記により詳細に説明するように、他のＭＥＭＳセンサデバイスに対するクロックと、ＭＥＭＳジャイロスコープの第１のクロックの間での一貫した相対周期位相整合を設定することで、複数のＭＥＭＳセンシングデバイスにおいて変動する出力オフセットが発生する可能性を低減することによってデバイスの性能を改善することができる。
【００１２】
ＭＥＭＳセンサのようなセンサデバイスは一般的に、概して「オフセット」と称されるものを有する。概して、オフセットは、ヌルまたは０入力がセンサに与えられるときに生成されるセンサ出力を指す。これらのオフセットは、ＭＥＭＳセンサ作製中に発生する製造および較正における一般的なばらつきを含む、さまざまな要因から生じる可能性がある。ほとんどのＭＥＭＳセンサデバイスを含むほとんどのセンサデバイスは、そのようなオフセットを補償または他の様態で「消去」するための機構を提供し、それによって、オフセットが動作中にセンサ出力を許容不能に変化させることはない。たとえば、ＭＥＭＳセンサデバイスは、デバイス設定中にオフセットが低減され、取り除かれ、または他の様態で補償されることを可能にするプログラム可能な「タイミング値」を含む場合がある。オフセットを低減し、または取り除くためのそのような値をプログラムするプロセスは、一般的に「トリミング」と称される。
【００１３】
しかしながら、そのような技法は、センシング動作中に、またはセンシング動作とセンシング動作との間で変動するか、または他の様態で変化する可能性があるオフセットへの対処の有効性が制限されている。多機能センサデバイスにおいて発生する１つのそのようなタイプの変動するオフセットは、一般的に「マルチモーダルオフセット」と称される。マルチモーダルオフセットは、複数のデバイスの間の相互作用に起因して多機能センサデバイスにおいて発生する可能性がある。デバイス間のこれらの相互作用は、共有電力または戻り経路、熱的結合、電磁的結合、機械的結合、および共有回路を含み得る。これらの相互作用は、ＭＥＭＳセンサデバイスがＭＥＭＳジャイロスコープと同じ基板上に形成されるときに特に強くなる可能性がある。これらの相互作用の結果として、多機能ＭＥＭＳセンサデバイスはいくつかの異なる値の間で確率的に変動するオフセットを有する可能性がある。たとえば、離散的な値のセットの間でランダムに変動する値を有する、電源投入するごとに変化する可能性のあるオフセットが、マルチモーダルと称される。トリミングは１つの可能性のあるオフセット値セットを補償するにすぎないため、電源投入するごとに変動する場合があるマルチモーダルオフセットの補償の有効性が制限されている。すなわち、デバイスが１つのオフセット値についてトリミングされ、かつマルチモーダルな変化が結果として異なるオフセット値をもたらす場合、結果として報告されるセンサ値に誤りが生じる可能性がある。これらの誤りはデバイスの精度に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１４】
本明細書に記載のさまざまな実施形態は、マルチモーダルオフセットを低減し、従って多機能センシングの性能を改善するためのシステムおよび方法を提供する。この技法は、ジャイロスコープにおけるクロックと他のセンサデバイスにおけるクロックとの間の相対的な位相のばらつきを取り除くことによって、マルチモーダルオフセットの可能性を低減する。
【００１５】
一般的なＭＥＭＳジャイロスコープは、２次元平面、すなわち、振動平面内で共振するように駆動される小さい振動質量部を採用している。振動平面が回転すると、コリオリの力によって、振動質量部が回転速度に比例する量だけ振動平面から変位される。回転速度を決定するために、この変位が測定されて、振動質量部と同じ共振周波数で振動する電気信号に変換される。この電気信号の同相成分は回転速度に比例し、一般的にレート信号またはレート成分と称される。従って、レート信号は、ジャイロスコープの回転速度に関するデータを提供するのに使用されることができる。
【００１６】
一般的なＭＥＭＳジャイロスコープは、振動質量部の機械的振動と同相である少なくとも１つのクロック信号を含む。これは、クロック信号を機械的振動に位相ロックするのに使用される位相ロックループ（ＰＬＬ）を使用することによって達成されることができる。なお、この機械的振動の位相自体は、質量部の振動を駆動するのに使用される共振器の高品質係数および長時定数に起因して容易に変更することはできない。この理由から、ＭＥＭＳクロック信号の位相は容易に変更することができず、従って、本明細書に記載の実施形態は、変位と位相ロックされているＭＥＭＳジャイロスコープクロック（または変位に位相ロックされているクロックの分数調波）に対する他のＭＥＭＳセンサ・デバイス・クロックの相対周期位相を整合させ、逆はない。
【００１７】
ここで図５を参照すると、３つのグラフ５０２、５０４および５０６は多機能センシングデバイスにおける例示的なクロックを示している。具体的には、各グラフ５０２、５０４および５０６は、ジャイロスコープにおける変位と位相整合されているジャイロスコープクロック（ＤＣＬＫ）を示している。各グラフは、高速マスタクロック（ＭＣＬＫ）ならびに第２のセンサのクロックおよび第３のセンサのクロックをも示している。下記により詳細に説明するように、一般的な実施態様において、高速クロック・マスタ・クロックＭＣＬＫはジャイロスコープによって生成されて他のセンサに渡され、それらの他のセンサにおいて、当該クロックは他のクロックを生成するのに使用される。これらのクロックはすべて、同じ高速マスタクロック（ＭＣＬＫ）を使用して生成されるため、システム全体は同期することになる。しかしながら、さまざまなセンサクロックは互いから、およびジャイロスコープ変位クロックとは無関係に生成されるため、これらのクロック間の相対周期位相整合にはばらつきがある可能性がある。また上述のように、相対位相整合のばらつきによって、トリミングが有効でない場合があるマルチモーダル出力オフセットがもたらされる。相対位相のこれらのばらつきの例が、グラフ５０２、５０４および５０６の間の差に示されている。具体的には、これらのグラフは、たとえそれらがすべて高速マスタクロックと同期している場合であっても、ジャイロスコープクロックとセンサクロックとの間でいかに異なる相対周期位相整合が生じ得るかを示している。各場合において、さまざまなセンサクロックは、互いの間で、およびジャイロスコープ変位クロックとの間で異なる相対周期位相関係を有し、従って異なる出力オフセットをもたらし得る。
【００１８】
本明細書に記載のさまざまな実施形態は、ジャイロスコープにおけるクロックと他のセンサデバイスにおけるクロックとの間で一貫した相対位相関係を保証することによって出力オフセットのばらつきを低減する。具体的には、変位と位相ロックされているＭＥＭＳジャイロスコープにおける第１のクロック、またはＭＥＭＳジャイロスコープにおける変位の分数調波に対して、追加のＭＥＭＳセンサに使用されるクロックの相対周期位相を整合させることによる。
【００１９】
なお、これらのクロック信号間の相対周期位相整合の設定は、これらのクロックの周波数が同じであることを暗示するものではない。従って、本明細書において、「周期位相整合」および「相対周期位相整合の設定」という語句は、クロックの周波数が同じであることを暗示するものではない。そうではなく、相対周期位相整合の設定は単純に、さまざまなクロックが常に同じ相対周期位相関係を有し、デバイスが再始動したときに異なる位相関係の間で切り替わらないことを保証する。たとえば、いくつかの実施形態において、さまざまなクロックは常にグラフ５０２に示す相対周期位相整合を有し、後に起動するときにグラフ５０４および５０６の位相整合にランダムに切り替わることはない。従って、本明細書における語句の意味に従って、クロック信号は異なるクロック周波数の必要に応じて周期的に位相整合されるのみであるが、一貫した相対周期位相整合を有する。
【００２０】
ここで図１を参照すると、多機能センシングデバイス１００の簡略概略図が示されている。センシングデバイス１００は、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０と、少なくとも１つの第２のセンサ１１２（図１においてはセンサ２〜Ｎとして示されている）と、リセット機構１１４とを含む。リセット機構１１４は、ＭＥＭＳジャイロスコープの第１のクロック信号に対する第２のセンサ（複数の場合もあり）１１２のクロック信号（複数の場合もあり）の相対周期位相（複数の場合もあり）を整合させることを容易にするように構成されている。一般的な実施態様において、リセット機構１１４は、１つ以上のデジタル論理回路を用いて実装されることができるが、他の実施態様が可能であってもよい。リセット機構１１４は、第２のセンサ（複数の場合もあり）１１２のクロック信号（複数の場合もあり）とＭＥＭＳジャイロスコープの第１のクロック信号との間の相対周期位相整合の一貫した設定を容易にするように構成されている。上記で説明したように、他のセンサ１１２のクロックのＭＥＭＳジャイロスコープ１１０のクロックに対する相対周期位相整合の設定は、出力オフセットの変動が発生する可能性を低減することによって、組合せ多機能センサデバイスの性能を改善することができる。１つの特定の実施形態において、他のセンサ１１２は、ＭＥＭＳ慣性センサおよび／またはＭＥＭＳ圧力センサを備える。しかしながら、これらは例に過ぎず、他のセンサ（非ＭＥＭＳセンサを含む）が多機能センサデバイス１００内で利用されてもよく、これらの他のセンサも、それらの相対周期位相を、リセット機構１１４によって第１のクロック信号に整合されていてもよいクロック信号を含んでもよいことに留意されたい。たとえば、磁気センサ、電磁放射センサ（マイクロボロメータ）、光センサ、温度センサ、湿度センサ、応力センサ、歪みセンサ、および化学的検出センサが、すべて多機能センサデバイスにおいて利用され得る。
【００２１】
一般的な実施形態において、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０は、測定された回転速度に比例する出力を生成するレートジャイロスコープを備える。しかしながら、他の実施形態において、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０は全角度ジャイロスコープを備え得る。ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０は、振動質量部の機械的振動と同相である第１のクロック信号または機械的振動の分数調波を含む。上述のように、これは、クロック信号を機械的振動に位相ロックするためのＰＬＬ、および、第１のクロック信号が機械的振動の分数調波である場合にはクロック分周器を使用することを含む、いくつかの方法によって達成されることができる。リセット機構１１４は、この位相ロックされた第１のクロック信号を受信して、それを、第１のクロック信号に対する他のセンサ１１２のクロック信号の相対周期位相を整合させるためのリセット信号を生成するのに使用する。従って、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０および他のセンサ１１２はすべて、一貫した周期相対位相整合を有するクロック信号を有する。上述のように、これによってマルチモーダルオフセットの可能性が低減し、従って、多機能センサデバイス１００の精度を改善することができる。
【００２２】
一実施形態において、リセット機構１１４はリセット要求信号を受信し、第１のクロック信号のエッジがリセット要求信号に続いて受信されることに応答してリセット信号を生成するように構成されている。たとえば、リセット機構１１４は、第１のクロック信号のエッジと整合されたリセットパルスを発するように構成されることができる。従って、リセットパルスは、第１のクロック信号の次の立ち上がりエッジまたは第１のクロック信号の次の立ち下がりエッジにおいて発することができる。
【００２３】
ここで図２を参照すると、多機能センシングデバイス２００の概略図が示されている。センシングデバイス２００は、ＭＥＭＳジャイロスコープ２１０と、第２のＭＥＭＳセンサ２１２と、第３のＭＥＭＳセンサ２１４と、リセット機構２１６とを含む。ＭＥＭＳジャイロスコープ２１０は、他のＭＥＭＳセンサ２１２および２１４に対するクロックとして使用される高周波マスタクロック信号（ＭＣＬＫ）を生成し、システム全体の同期を行う。ＭＥＭＳジャイロスコープ２１０は、機械的変位と同期しているクロック信号（ＤＣＬＫ）、および、機械的変位に対する分数調波であるクロック信号（ＧＣＬＫ）をも生成する。この示されている実施形態において、リセット機構２１６のＣＬＫ入力に提供される第１のクロック信号であるものは、分数調波クロック（ＧＣＬＫ）である。しかしながら、他の実施形態において、第１のクロック信号は変位クロック信号（ＤＣＬＫ）自体であることができる。リセット機構２１６は、ＭＥＭＳジャイロスコープ２１０の第１のクロック信号に対する第２のＭＥＭＳセンサ２１２および第３のＭＥＭＳセンサ２１４のクロック信号の相対周期位相整合を一貫して設定するためのリセット信号を生成するように構成されている。ここでも、それら自体の内部クロックを生成するために各センサにおいてＭＣＬＫを使用することに起因してシステム全体が同期されているが、これらのクロック生成器回路の、互いに対する、およびジャイロスコープ内の変位に対する一貫した周期位相整合を保証するためのリセット機構２１６の動作がなければ、相対位相整合にばらつきが生じ、出力オフセットにおいてばらつきを引き起こす可能性があることに留意されたい。ここでも、そのような周期位相整合のばらつきの例が図５内のグラフ５０２、５０４および５０６に示されている。
【００２４】
マスタクロック信号および第１のクロック信号は両方とも、振動の機械的振動と同相である変位信号を使用して生成される。具体的には、変位信号が増幅されて位相周波数検出器（ＰＦＤ）に渡され、その後ループフィルタ（ＬＦ）および電圧制御発振器（ＶＣＯ）に渡され、その結果マスタクロック信号（ＭＣＬＫ）が生成される。マスタクロック信号ＭＣＬＫはＮ分周器を通じてＰＦＤにフィードバックされて、変位クロック信号（ＤＣＬＫ）が生成される。このフィードバックは、変位クロック信号を機械的振動に対して位相ロックする位相ロックループを実装する。この実施形態において、変位クロック信号ＤＣＬＫもＭ分周器によって再び分割されて、分数調波クロック信号（ＧＣＬＫ）が生成される。この示されている実施形態において、ＣＬＫ入力においてリセット機構２１６に提供される第１のクロック信号であるものは、この分数調波クロック信号（ＧＣＬＫ）である。一般的な実施態様において、Ｎは１０００の位の値を有し、それによって、マスタクロック信号ＭＣＬＫは、振動質量部の振動数よりもおよそ３桁分速い。同様に、一般的な実施態様において、Ｍは１以上の値を有することができる。
【００２５】
動作中、リセット要求信号がリセット機構２１６のＲＡ入力に提供される。それに応答して、リセット機構２１６はＲＳ出力において、第１のクロック信号のエッジと整合されたリセット信号を生成する。たとえば、ＲＳ出力は、ＣＬＫ入力において受信される第１のクロック信号の次の立ち上がりエッジにおいてリセットパルスを生成する。リセットパルスは、他のＭＥＭＳセンサデバイス２１２および２１４に印加される。具体的には、リセットパルスはセンサデバイス２１２および２１４のＲＳＴ入力に提供され、当該パルスは、その周期位相がジャイロスコープ内の振動質量部の変位に対して、または互いに対して変動していない内部クロック信号を生成するために、それらのセンサデバイスの内部にあるクロック生成器２１３および２１５をリセットするのに使用されることになる。
【００２６】
上述のように、第１のクロック信号は、振動質量部の機械的振動と位相整合されている信号または機械的振動の分数調波であることができる。一般的に、機械的振動の分数調波であるクロック信号は、ＭＥＭＳジャイロスコープ内に、駆動周波数よりも低いが、当該駆動周波数と同期しているレートで動作する何らかの他の回路があるときに使用されてもよい。そのような場合、その周波数のより低い分数調波信号に同期することが好ましい場合がある。たとえば、駆動クロックを分割することによって健全性監視信号が生成される応用形態において、そのような分数調波セルフテスト信号が第１のクロック信号ＣＬＫに使用されてもよい。
【００２７】
一般的に、レートのより低い分数調波クロック信号を使用することには、システムの他の要素との位相のばらつきを低減するという利点がある。すなわち、ＭＥＭＳセンサ内のクロックの相対周期位相を、相対的に遅い分数調波クロックに整合させる結果として、一般的に、オフセットのばらつきが低減されることになる。この理由から、いくつかの実施態様において、使用される第１のクロック信号ＣＬＫは、変位に位相ロックされている信号の分数調波である、ＭＥＭＳジャイロスコープ内で最も遅いクロック信号であってもよい。しかしながら、より遅い分数調波クロック信号を使用することによって、クロックの相対周期位相を整合させるのに必要とされる時間が増大し、従って、ＭＥＭＳ多機能センシングデバイスの起動時間が増大する可能性があることに留意されたい。この理由から、システム内で最も遅い分数調波クロックを第１のクロック信号ＣＬＫとして使用することが常に望ましいわけではない場合があり、それらの場合、より速い分数調波クロックが使用されることができる。
【００２８】
ここで図３を参照すると、多機能センシングデバイス３００の概略図が示されている。この実施形態においては、起動時間が長くなる可能性を回避するためにより速い変位クロック信号ＤＣＬＫおよびリセット信号ＲＳが使用されている。また、この実施形態においては、ＭＥＭＳジャイロスコープ３１０は、分数調波クロックを使用してより遅い動作速度において作動する何らかの内部回路（たとえば、回路３０２）を含む。たとえば、回路３０２は、より遅いクロック速度を必要とする内部健全性監視回路を備えることができる。
【００２９】
図２の実施形態のように、リセット機構３１６は、ＭＥＭＳジャイロスコープ３１０の第１のクロック信号に対する、第２のＭＥＭＳセンサおよび第３のＭＥＭＳセンサのクロック信号の相対周期位相整合を設定するためのリセット信号を生成するように構成されている。上記のように、この場合、第１のクロック信号はより遅い分数調波ＧＬＣＫではなく、より速い変位クロック信号ＤＣＬＫである。これによって、デバイス起動において遅延が長くなる可能性が低減する。リセット信号は、ＭＥＭＳジャイロスコープ３１０内の回路３０２および／Ｍ分周器を含む、電子的にリセット可能な回路をリセットするのに使用される。従って、相対的に速い変位クロック信号ＤＣＬＫを使用して、システム全体が一貫した相対周期位相整合を有するように設定される。従って、この手法は、図２における手法と比較して起動時間を低減しながらマルチモーダルオフセットの可能性を低減する。
【００３０】
ここで図４を参照すると、多機能デバイス２００の例示的なタイミング図４００が示されている。タイミング図４００は、ＭＥＭＳジャイロスコープ２１０内の振動質量部の変位（ＤＩＳＰＬＡＣＥＭＥＮＴとラベリングされている）、マスタクロック信号（ＭＣＬＫとラベリングされている）、第１のクロック信号（ＣＬＫとラベリングされている）、リセット要求信号（ＲＡとラベリングされている）、およびリセット信号（ＲＳとラベリングされている）に対応する波形の部分を示している。この実施形態において、第１のクロック信号ＣＬＫは変位と位相ロックされているが、他の実施形態において、第１のクロック信号は変位の分数調波になることに留意されたい。また、ＣＬＫおよびＭＣＬＫは調波的に関係があり、ＣＬＫはＭＣＬＫの分数調波である。図４に示すように、リセット要求信号ＲＡは時刻Ｔ１においてイネーブルされる。それに応答して、リセット機構は第１のクロック信号ＣＬＫの次の立ち上がりエッジと整合されたリセット信号ＲＳを生成する。上述のように、このリセット信号ＲＳはＭＥＭＳセンサデバイスに印加されることができ、そこで、当該信号は、第１のクロック信号に対するＭＥＭＳセンサデバイス内のクロック信号の相対周期位相を整合させるのに使用される。具体的には、リセット信号ＲＳは、ＭＥＭＳセンサデバイス内のクロック信号と第１のクロック信号との間の相対周期位相整合を設定するのに使用される。
【００３１】
一般的にＲＡ入力は、マスタ状態機械からのように、非同期的にアサートされる。たとえば、当該入力は、起動時に、または必要に応じて命令でアサートされることができる。いずれにせよ、その後、リセット機構はＣＬＫの次の立ち上がりクロックエッジにおいてリセット信号ＲＳを生成する。
【００３２】
このように、一実施形態において、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープであって、当該ＭＥＭＳジャイロスコープは第１のクロック信号を生成するように構成されている、ＭＥＭＳジャイロスコープと、リセット機構であって、当該リセット機構は第１のクロック信号のエッジに応答してリセット信号を生成するように構成されている、リセット機構と、第２のセンサであって、当該第２のセンサは少なくとも１つの第２のクロック信号を含み、当該第２のセンサはリセット信号を受信して、当該リセット信号に応答して第２のクロック信号と第１のクロック信号との間の相対周期位相整合を設定するように構成されている、第２のセンサとを備える、多機能センシングデバイスが提供される。
【００３３】
別の実施形態において、多機能センシングデバイスを動作させる方法が提供され、多機能センシングデバイスは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープおよび第２のセンサを含む。方法は、ＭＥＭＳジャイロスコープ内の第１のクロック信号を生成するステップと、第１のクロック信号に対する第２のセンサ内の第２のクロック信号の間の相対周期位相整合を設定するステップとを備える。
【００３４】
別の実施形態において、センシングデバイスが提供される。センシングデバイスは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープであって、当該ＭＥＭＳジャイロスコープはＭＥＭＳジャイロスコープ内の機械的振動または当該機械的振動の分数調波に位相ロックされている第１のクロック信号を生成するように構成されている、ＭＥＭＳジャイロスコープと、リセット機構であって、当該リセット機構は、第１のクロック信号およびリセット要求信号を受信するように構成されており、当該リセット機構は、リセット要求信号の受信、および、リセット要求信号の受信に続く第１のクロック信号のエッジに応答してリセット信号を生成するように構成されている、リセット機構と、第２のＭＥＭＳセンサであって、当該第２のＭＥＭＳセンサは第２のクロック信号を含み、当該第２のＭＥＭｓセンサは、ＭＥＭＳ慣性センサおよびＭＥＭＳ圧力センサから成る群から選択され、当該第２のＭＥＭＳセンサは、リセット信号を受信し、当該リセット信号に応答して第２のクロック信号と第１のクロック信号との間の相対周期位相整合を設定するように構成されている、第２のＭＥＭＳセンサと、第３のＭＥＭＳセンサであって、当該第３のＭＥＭＳセンサは第３のクロック信号を含み、当該第３のＭＥＭＳセンサは、ＭＥＭＳ慣性センサおよびＭＥＭＳ圧力センサから成る群から選択され、当該第３のＭＥＭＳセンサは、リセット信号を受信し、当該リセット信号に応答して第３のクロック信号と第１のクロック信号との間の相対周期位相整合を設定するように構成されている、第３のＭＥＭＳセンサとを備える。
【００３５】
このように、本明細書に記載のさまざまな実施形態は、改善された多機能センシングを提供するためのシステムおよび方法を提供する。これらの実施形態において、多機能センシングデバイスは、ＭＥＭＳジャイロスコープおよび少なくとも１つの第２のセンサを含む。ＭＥＭＳジャイロスコープは、第１のクロック信号を生成するように構成されており、第２のＭＥＭＳセンサは、第２のクロック信号を含む。多機能センシングデバイスはリセット機構をさらに含み、リセット機構は、第１のクロック信号に対する第２のクロック信号の相対周期位相を整合させるためのリセット信号を生成するように構成されている。
【００３６】
本発明の好ましい実施形態が詳細に例示および記載されてきたが、本発明の精神または添付の特許請求項の範囲から逸脱することなく、そこにさまざまな改変を行うことができることが当業者には容易に明らかとなろう。従って、例示的な実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用性または構成を限定することは意図されていないことが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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