（测试计量技术及仪器专业论文）高信噪比电容式微机械陀螺的研究.pdf

高信噪比电容式微机械陀螺的研究 摘要 本文对基于m e m s 技术的高信嗓比电容式微机械陀螺进行了系统研究，完成 了微机械陀螺的结构殴计，对信号处理方法进行了深入分析，提出新的信号解调 算法并设计了相应的接口电路，完成了关键性能参数测试具体内容如下： 1 对微机械陀螺的研究现状进行了概述，分析了当前微机械陀螺存在的技术难 点，对需要进步研究的内容作了说明。 2 设计出了一种具有解耦结构、差分检测的电容式微机械陀螺，口j 有效抑制共 模噪声。简单介绍了微机械陀螺的加工工艺。 3 针对真空封装电容式微机械陀螺的振动品质因子会发生长时间漂移的现象， 提出了二种自动增益控制的闭环驱动方法( 直流自动增益控制方法、直流一 交流自动增益控制、交流自动增益控制的方法) ，并对其进行了仿真、分析和 对比。 4 通过分析电容式微机械陀螺信号解调中相移的变化以及寄生电容干扰引起陀 螺长期漂移的难题，提出了一种高信噪比的差分解调算法，可有效抑制寄生 电锌的l ：扰，并采用s i m u l i n k 对该方法进行了仿真。 5 根据文中提出的高信噪比解调方法进行了相关电路的设计和仿真。电路设计 主要包括低噪声前置放大电路、高通滤波电路、限幅电路、a c 范自动增益控 制电路以及角速二年解调电路。其中，改进的前置c v 转换电路，有效抑制j 噪声、降低了反馈电阻的阻值，易实现a s i c 集成；采用差分相位敏感解调方 法设讣出的角速率解调电路，有效抑制了寄生电容的干扰。 6 采用上述电路对陀螺关键性能参数进行了测试。测试的内容有：振动品质因 子、分辨率、带宽、a g c 静态工作点、工作状态、灵敏度及线性度。首次提 出丁机械激励一电容检测和静电驱动一位移特性问接测试振动品质因子的方 法，并对该方法进行丁分析和实验，准确地测m 了陀螺的振动品质因子；提 出丁最佳静态r 作点的实验方法以及带宽和灵敏度优化的疗法。 关键词：微机械陀螺，相化敏感解调闭环驱动，性能测试 r e s e a r c ho nh i g hs i g n a l n o i s er a t i oo fc a p a c i t i v e m i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p e l ij i n m i n g ，z h a n gw e n d o n g ，l e es u k h a n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , ，ak i n do fm i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p ew i t hh i g hs i g n a l - n o i s er a t i o b a s e do nm e m s t e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h es t r u c t u r ei sd e s i g n e d 矗f s l l y b a s e do na n a l y z i n go nt h ed i f f e r e n tk i n d so ft h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s a n o v e ls i g n a ld e m o d u l a t i o n 【m e t h o da sw e l la si t sc o r r e s p o n d i n gc i r c u i t si sp r o p o s e d a n dd e s i g n e d w i t ha b o v e - m e n t i o n e dc i r c u i t s s o m ek e yp a r a m e t e r sr e l e v a n tt o p e r f o r m a n c ea 托m e a s u r e d t h ep a p e rm a i nw o r ki sa sf o l l o w s 1 “t h es t a t e so f t h ea r to f t h em i c r o m e c h a n i e a l 【g y r o s c o p ei sr e v i e w e d s u b s e q u e n t l y t h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sa r ca n a l y z e da n dt h em a i nr e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d 2 ak i n do fc a p a c i t a n c em k r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p ei sd e s i g n e dw i t hd e - c o u p l e d s t r u c t u r ea n dd i f f c - m n t i a ld e m o d u l a t i o n t h u si tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c en o i s e a n di t s m a n u f a c t u r ep r o c e s si sd e s c r i b e d 3 f a c e dw i t ht h el o n g - t e r md r i f tp h e n o m e n ao ft h ev i b r a t o r yq u a l i t yf a c t o r s ，t h r e e k i n d sm e t h o d so fa u t og a i nc o n t r o l a g e ) c l o s e l o o pd r i v i n g ，i n c l u d i n gd ca g c m e t h o d ，d c a ma g cm e t h o da n da ca g cm e t h o d i sp u tf o r w a r d a n a l y z e da n d c o n t r a s t e de a c ho t h e rb ym e a n so f s i m u l a t i o n 4 a f t e ra n a l y z i n gt h ep h e n o m e n ao ft h ep h a s es h i f td u r i n gt h es i g n a ld e m o d u l a t i o n a n do fl o n g - t e r md r i f ta r o u s e db y p a r a s i t i c a lc a p a c i t a n c e a k i n do fd i f f e r e n c e d e m o d u l a t i o nm e t h o dw i t hh i g hs i g n a l - n o i s er a t i oi sp r o p o s e da n dd e r i v e d a n di t n c o to f f t h ei n t e r f e r e n c ea r o u s e db yp a r a s i t i c a lc a p a c i t a n c e 5 o nt h eb a s i so ft h ed i f e e r e n t i a ld e m o d u l a t i o nm e t h o dm e n t i o n e da b o v e t h er e l e v a n t c i r c u i t sa r ed e s i g n e da n d s i , m u l a t e d ，i n c l u d i n gi m p r o v e dp r e c v c o n v c r tc i r c u i t h i g h - p a s sf i l t e r ( h p f ) c i r 舀。i t ，a m p l i t u d e 1 i m i t e d c i r c u i t a g cc i r c u i t ，a n g u l a r d e m o d u l a t i o nc i r c u i t c t c a m o n gt h e s ec i r c u i t s t h ei m p r o v e dp r e - c nc o n v e rc i r c u i t i l n o to n l yr e d u c e sn o i s eb u ta l s ol e s s e n sr e s i s t a n c ei na m p l i f i e r , s oi tb e c o m e se a s i e rt o i n t e g r a t et h o s ec i r c u i t sw i t ha s i c i ti se f f e c t i v et or e d u c et h ei n t e r f e r e n c ea r o u s e db y p a r a s i t i c a lc a p a c i t a n c eb yu s i n gt h ea n g u l a rd e m o d u l a t i o nc i r c u i t 6 b ym e a n so fa b o v e - m e n t i o n e d c i r c u i t s s o m ek e yp a r a m e t e r si n v o l v e dj n p e r f o r m a n c e a r c m e a s u r e d i n c l u d i n g t h e v i b r a t o r yq u a l i t y f a c t o kr e s o l u t i o n ， b a n d w i d t h t h ea g cs t a t i cw o r kp o i n t s e n s i t l v i t ya n dl i n e a r i t y i ti st h ef i r s tt i m et h a t t h ee l e c t r o s t a t i cd r i v i n g i n d i r e c td i s p l a c e m e n td e t e c t i o nm e t h o di sp r o p o s e d ，t h r o u g h a n a l y z i n ga n de x p e r i m e n t i n g ，t h ev i b r a t o r yq u a l i t yf a c t o ri so b t a i n e di n d i r e c t l y t h e p a p e ra l s og i v e st h ee x p e r i m e n t a lm e t h o do ft h ea g c sb e s ts t a t i cw o r kp o i n ta n dt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o do f t h eb a n d w i d t ha n ds e n s i t i v i t y k e yw o r d s ：m i c r o m e c h a n i c a lg y r o s c o p e p h a s e s e n s i t i v ed e m o d u l a t i o n ( p s d ) ， c l o s e l o o pd r i v i n g p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t 中北大学博士学位论文 第一章绪论 微机械陀螺是8 0 年代后期发展起来的一种新型陀螺，它具有体积小、重量轻、功 耗低、抗过载能力强、能适用于较为恶劣的环境条件等优点。因此微机械陀螺可广泛 应用于汽车牵引控制系统、行驶稳定系统、摄像机稳定系统、飞机稳定系统、计算机的 惯性鼠标以及军事等领域。1 。目前，世界上许多研究单位、公司都在结合自己国内的 加工手段及信号检测措施对微机械陀螺展开了研究。微机械陀螺有角速率积分陀螺和角 速率陀螺两种，本文着重介绍的是角速率陀螺，菁无特礁说明，所指的微机械陀螺均为 角速率陀螺。 1 1 微机械陀螺的技术分类 微机械陀螺的种类很多为了便于分析，通过查阅大量文献，将微机械陀螺按材料、 振动结构、驱动方式、检测方式和工作模式进行了划分。 ( 1 ) 按材料可将微机械陀螺划分为硅陀螺( s i l i c o ng y r o s c o p e ) 和非硅陀螺。非硅 陀螺主要为压电石英陀螺和压电陶瓷陀螺【压电陶瓷陀螺不采用微加工工艺，但其需要 微光刻技术来保证陀螺的几何尺寸其尺寸大小与微加- t 陀螺的尺寸大小相当“1 ) 。压电 石英陀螺( b e lq r s l l ) 具有精度高，是当前微陀螺产品的主流，但由于这些陀螺生产 加工工艺复杂，成本高，如一只q r s ! i 的价格就上万元人民币，抗过载能力差( 通常 石菜陀螺耐过载能力小于2 0 0 9 ) 等缺点，很难满足低成本的民刖市场目前大多数国家 都在从事硅陀螺的研究。 ( 2 ) 按振动方式可将微机械陀螺划分为角振动陀螺( a n g l ev i b r a t i o ng y r o s c o p e ) 和 线振动陀螺( l i n ev i b r a t i o ng y r o s c o p e ) “”。 声+ 振动陀螺是围绕个轴来回振动，线振动陀螺是沿条线来回振动。 ( 3 ) 按驱动方式可将微机械陀螺划分为静电驱动陀螺( e l e c t r o s t a t i cg y r o s c o p e ) 、电 磁驱动陀螺( e l e c t r o m a g n e t i cg y r o s c o p e ) 和压电搬动陀螺( p i e z o e l e c t r i c 陀螺) 等”“”。 静电驱动陀螺是采州在驱动电极上施自 1 变化f h 瞌产生变化的静电力作为驱动力，电 磁驱动陀螺是在电场中，给陀螺内部的质量块施加上垂直于电场方向的变化电流产生的 力作为驱动力，压电驱动陀螺是在陀螺的驱动电极上施加上变化的电压，陀螺随之发生 形变。 中4 t 大学博士学位论文 ( 4 ) 按检测方式可将微机械陀螺划分成电容式陀螺( c a p a c l t i v eg y m s c o l ) 、压阻 式陀螺( p i e z o r e s i s f i v eg y r o s c o p e ) 、压电式陀螺( p i e z o e l e c t r i cg y r o s c o p e ) 、光学陀螺 ( o p t i c a lg y r o s c o p e ) 瘌隧道陀螺( t u n n e l l i n gg y r o s c o p e ) 等“。 电容式陀螺是在陀螺的检测电极上引起电容变化，压阻式陀螺是在陀螺的检测端引 起电阻变化，压电式陀螺是在陀螺的检测电极上感应到电荷变化光学陀螺是通过光学 的方法来检测陀螺的位移变化，隧道陀螺是在陀螺的检测电极引起隧道电流的变化。 ( 5 ) 按加工方式可以将微机械陀螺划分成体加工微机械陀螺、表面加工微机械陀螺、 l i g a 陀螺等”。 将上述微机械陀螺的分类归纳如图1 1 所示。 图1 1 微机械陀螺的分类 一2 中北大学博士学位论文 2 微机械陀螺的发展现状 根据图1 1 ，微机械陀螺按材料来分，主要有硅材料陀螺、石英材料陀螺及陶瓷材 料陀螺。石英材料和陶瓷材料均属于绝缘搏，但它们具有压电效应和逆压电效应，即当 材料受到电场的作用会发生形变或当材料发生形变后表面将溢出电荷，因此用石英和 陶瓷材料傲的陀螺需要在材料的表面贴上驱动电极和检测电极作用在驱动电极上的交 化电压产生变换的电场使结构振荡起来，采用检测电极来拾取材料表面溢出的电荷所 以，它们的驱动方式为电压驱动，检测方式为电荷裣测。硅材料属于半导体通过参杂 工艺可以改变其导电特性，用硅材料n t 的陀螺常采用电磁驱动和静电驱动方式，检测 方式常采用电阻和电容检测方式。下面就石英陀螺、陶瓷陀螺及硅陀螺的发展现状作一 介绍。 1 ) 压电石英陀螺 结合石英材料的特点，日本p a n a s o n i c 公司和美嗣b e i 公司采用微加工刻蚀技术加 工出了具有不同结构的石英陀螺”1 。日本p a n a s o n i c 公司采用如图1 2 所的结构在 该结构中包含有两个石英粱，每个粱由两个相互垂直的平两结构构残，在每个平面上均 贴有电极，在靠近梁根部的两岭j l 面卜贴的电极作为陀螺驱动模态的驱动电极和检测电 极，在远离梁根部的两个平面上贴的电极作为陀螺检测模态的检铡电极。圈1 3 是 p a n a s o n i c 公司石英陀螺的管芯结构。 图l2p a n a s o n i c 公司的石英陀螺结构图1 3p a n a s o n i c 公司石英陀螺的管芯结构 一3 一 中北大学博士学位论文 美国b e i 公司采用的是图1 4 所示的石英陀螺结构，在该结构中包含有四根粱，上 面的两根梁上贴有驱动模态的驱动电极和检测电极，下面的两根梁上贴有榆测模态的检 测电极，这种将驱动模态和检测模态分开的设计可大大降低驱动模态对检测模态的干 扰。图1 5 是美国b e i 公司的l c g 5 0 的石英陀螺。 图l _ 4b e i 公司的石英陀螺结构 图1 5b e i 公司的石英陀螺f l c g 5 0 ) 2 ) 压电陶瓷陀螺 压电陶瓷陀螺的t 作原理与石英陀螺的t 作原理大致相同但其加t 成本比石英陀 螺要低，目前已广泛应用丁i 摄像机防抖控制及遥控玩具飞机的姿态解算中。图1 6 是 m u r a t a 公司e n c 一0 3 陀螺所采用的结构“”“，在该结构的最下面贴有驱动电极，结构的 上表面对称地贴了两条榆测电极，在驱动电极上旌加电压后，压电陶瓷材料将会发生形 变，结构上表面的两条检测电极会检测到因压电陶瓷材料的形变所溢出的电荷。这两条 电极所拾取的电荷分别经过电路转换后变成电压信号，这两路电压信号相加作为驱动模 态的检测信号，相减作为检测模态的检测信号。图1 7 是压电陶瓷陀螺e n c 一0 3 的实物 图。 4 中北大学博士学位论文 图l t6m a r a t a 公司的瓜电陶瓷陀螺结构 图l - 7m u r a t a 公司的e n c 一0 3 陀螺 3 ) 硅微机械陀螺 2 0 世纪8 0 年代以来，d r a p e r ( 德雷珀) 实验室( 美) 、j p l 公司( 美) 、l i t t o n ( 利顿) 公司( 美) 、l i t e f 公司( 德) 、s a g e m 公司( 法) 、a d 公司( 美) 、v e c t o r 公司( 俄) 等相继开 展硅微机械陀螺的研究“。根据图1 1 微机械陀螺的分类，从驱动和检测方式来看，目 前主要有电磁驱动一电阻检测陀螺、电磁驱动一电容检测陀螺和静电驱动一电容检测陀 螺等，下面对这几类具有代表性的硅微机械陀螺进行介绍。 i ) 电磁驱动一电阻检测陀螺 电磁驱动的基本原理是通电导线在磁场。p 将受到洛沦兹力的作用( 通电导线的方向 与磁场的方向垂直时受到的洛沦兹力最大) “。图1 8 是电磁驱动一电阻检测陀螺的结 构。该结构的外框架为固定框架，外框架内有两个悬浮质量块，每个质量块通过四根粱 与外框架相连，在这阳根梁中，有两根梁上贴有压阻材料，另外两根梁上作为通电导线， 磁场b 的方向垂直于外框架平面。从该图中还可得知框架内通电导线的电流方向相反， 因此，两个悬浮质量块作相对运动，当通电导线内流过的是变换的电流时，这西个悬浮 质量块就作水、f 振荡，将会引起梁卜压敏电阻的阻值发牛变化。 中北大学博士学位论文 i i ) 电磁驱动一电容检测 图1 8 电磁驱动一电阻检测陀螺 图1 9 是采用电磁驱动一电容检测的陀螺结构，在该结构中，中间圆形空间是磁铁 的位置。它的基本原理与前面所讲的电磁驱动一电阻检测的驱动原理相同，不同的是其 信号检测方式是通过检测电容的变化。图1 1 0 是利用该原理加工的陀螺实物。 图1 9 电磁驱动一电容检测的陀螺结构罔l1 0 电磁驱动一电容捡测的陀螺实物 i i i ) 静电驱动一电容检测陀螺 前面讲到的电磁驱动陀螺的结构简单，即使在大气一i ，驱动模态和检测模态的振动 一6 中北大学博士学位论文 品质因子均能达到很高，陀螺不需耍真空封装就能实现自激振荡，但其需要外加磁场， 容易受到外部磁场的干扰。而静电驱动陀螺不存在这种干扰，通常靠静电驱动的微机械 陀螺常需要真空封装或高的驱动电压( 常在1 0 v 以上) ，这是因为：其驱动方式是在电 容的两端施加上电压作为静电驱动力，由静电力c 的计算公式：c = ；睾矿2 可知：静 电力e 的大小与朝运动方向电容的变换善成正比电容的变换墨又与电极板的个数 “ 成正比，为了提高静电力的大小，常常需要提高电极板的个数，电极板个数的增多将导 致陀螺结构复杂，结构越复杂，陀螺运动的阻力就越大，振动的品质因子就会减小，陀 螺就很难实现自激振荡，通常需要采用真空封装技术以提高陀螺振动的品质因子，实现 陀螺上电自激振荡。 常见的几种静电驱动一电容检测陀螺有振动轮式、环形振动和线振动，下面对这几 种陀螺的情况进行介绍。 a ) 振动轮式 罔1 1 1 是振动轮式陀螺工作原理的示意罔“，在该图中，上而盘型的质量块通过 弹簧与衬底相连，存衬底的表面卜加丁有两块哥氏力检测电极。盘裂质量块在静电驱动 力作用下( 静电驱动梳齿罔中末画) ，盘型质量块将围绕z 轴摆动，当绕y 轴输入角速 度信号时，盘犁质昼块与衬底卜检测电极之间的电容将发乍变化i 基过检测电容的变化 就能检测纽陀螺绕y 轴输入的角速度人小。 图】1l 振动轮。弋陀螺工作原理的示意图 中北大学博士学位论文 图1 1 2 和图1 1 3 分别显示德国h s g - i m i t 大学和清华大学所设计的振动轮式微机 械陀螺结构“”。 b ) 环型振动式 阿1 1 2 振动轮式微机械陀螺的结构 图1 1 3 振动轮式微机械陀螺结构和s e m 图 图1 1 4 和图1 1 5 是两种环型振动陀螺结构图“。这两种陀螺均采用环型结构，环 ；型结构依靠连接在中心点上的若干根弹簧作支撑，在环型结构的周围分布有驱动电极和 检测电极。陀螺的1 抠动模志采用静电驱动，运动方式为椭圆形振动，检测模态为电容检 测。为了提禹 “、_ _ 菜比，这两种陀螺均采州真空封裟技术。 一8 中北大学博士学位论文 图1 1 4 环型振动微机械陀螺图l1 5 环酗振动微机械陀螺 c ) 线振动式 图1 1 6 和陶1 1 7 所示的微机械陀螺属丁线振动式陀螺，这类陀螺驱动模态的振动 方向是存同条直线卜。存图1 1 6 所示的陀螺是j 犀公司设计的具有解耦结构的双框 架陀螺“”，外框架通过四个鱼钩型的弹簧与衬底相连。在外框架的四周均设计有驱动模 态的驱动梳齿和检测梳齿。在外框架内设计有内框架，内框架通过两边的扭转簧与外框 架相连，在内框架下而设计有检测模态的检测电极。图1 1 7 是m i c r os e n s ，公司设计 的双驱动质量块的陀螺4 “，在这个结构中，两个驱动质量块的驱动方向始终相反，当存 在绕y 轴的角速率信号输入时，左右的两个运动质量块将受到沿z 轴相反的哥氏力作用， 一个向上运动时，另一个则向下运动， 在衬底上的两个榆测电极所检测到的电 容将存在一个电容增加，* 一个电容将 减小这两个榆测信号相减后作为检测 模态的检测信号，这就仃助于抑制共模 噪声的1 扰如扪制外部冲击噪声、电 路噪声等。 g1 1 f j 二! 公刊设i l 线振动陀螺 中北大学博士学位论文 外梳屿运动质量块内梳齿运动质量块外梳齿 p 呈e r 尸曼可 嚣蛳甓麓譬2 豁一埒辫冀黧 力平衡电投 右函电强 图1 1 7m i c r os e n s e “公司墁计的线振动陀螺 1 3 电容式微机械陀螺的信号处理方法概述 本文研究的电容式微机械陀螺指的是静电驱动一电容检测类微机械陀螺，该类陀螺 的检测信号为电容信号，由于电容的变化随温度的影响小、稳定性好等特点因此目前 国内外很多公司和研究所都集中在电容式微机械陀螺的研究和开发工作，为了更进一步 提高电容式微机械陀螺的精度，减小陀螺零漂，高信噪比的信号处理处理电路就显得格 外重要。微机械陀螺信号处理电路主要包括驱动电路及角速率解调电路两大部分，下面 针对这两大部分的研究现状进行介绍。 1 ) 驱动电路 驱动电路的主要功能是维持微机械陀螺振荡时恒定的幅值，即恒幅振荡。设陀螺振 动的位移方程：s = s os i n ( c o j ) ，其中为振荡的幅值，为振荡的频率，通过对振动位 移方程求导可得振动速度方程：矿= s o qs i n ( c o j ) 凼此，维持了恒定的陀螺振幅，就 一1 0 中北大学博士学位论文 能使振动速度v 的幅值够，恒定( q ，是不变的) ，再根据哥氏力公式f = 2 m v x q 可知： 当保持振动速度v 的幅值恒定就能使哥氏力f 与输入角速率n 成线性变化关系。图i 1 8 是电容式微机械陀螺闭环自振荡示意图“，其工作原理是将检测电极上获取的变化电容 信号通过c v 转换( 图中的转换电路为跨导电路，检测电极上的电容变化导致变化的电 流，该电流通过前置运放后就转变成变化的电压) 后变为电压信号，该电压信号通过幅 度检测后调节电路的放大倍数，从而达到自动增益控制( a ( ；c ) 的作用( 即当检测到的 信号幅值增大时，就缩小电路的放大倍数，反之则增大电路的放大倍数) ，将具有自动 增益控制放大器的输出电压加到驱动电极上作为静电驱动力，当驱动电路满足一定的相 位关系就能实现陀螺闭环恒幅振荡。第三章将会对陀螺闭环驱动方法作进一步分析。 图1 1 9 是电容式微机械陀螺闭环恒幅振荡的控制电路“，这种恒幅控制电路称为 d c a m 控制电路，因为作用在驱动电极上的交流电压的幅值是随着检测信号幅值( 直流) 的变化而变化的，好像是检测幅值信号通过幅度调制后加在交流电压上一样。 图i 1 8 电容式微机械陀螺闭环自振荡示意图 倒1 1 9 电释代微机械陀螺闭环恒幅振荡的电路 中j e 大学博士学位论文 2 ) 信号解调处理方法 微机械陀螺信号解调的基本原理是将危速率信号从载波上分离出来。这是因为角速 率信号是一个缓变的低频信号，同时敏感角速率的电容变化量非常小，通过正常的放大 电路很难检测到这个信号，通常需要将这个低频小信号通过高频载波后进行放大处理， 然后再通过信号解调后输 b 角速率信号“”“。 图l2 0 电容式微机械陀蜊信号解调的功能框剀 知 o m w 直霉噙l 图1 2 0 是电容式微机械陀螺信弓解调的功能框图。陀螺的哥氏力柃涮价i j 通过高 频、中频q 调制后再进行信号的检测，其，i t 高频信号为外加载波佑 ，该信号直 接作用在悬浮的质最块f = ，中频，为陀螺闭环振荡的频率。存悬浮质块的卜下各有两 块检测电极，通过检测电极获取的信号就是通过两次幅度调制后r ：n i 号，该调试信号通 过差分前置c v 转换、第一次信号解调( 与高频载波进行相果，、第二次信号解调( 与 中频载波乱进行相乘) 、低通滤波后得到角速率信弓。 一1 2 中北大学博士学位论文 1 4 电容式微机械陀螺中的技术难点 近二十年，电容式微机械陀螺得到了快速发展，低精度的产品已经处于实用阶段， 但高精度的产品还未见报道。这主要是由于在m e m s 加j 二上艺和信号柃测上存在着一定 的技术难度，主要表现在如下几个方面： 1 ) 驱动模态和检测模态品质因子的变化 目前，真空封装是提高电容式微机械陀螺信噪比最主要的措施，真空封装后电容式 微机械陀螺驱动模态和检测模态的振荡品质冈子都会大大提高从而提高陀螺的灵敏度 和信噪比，但由于陀螺驱动模态和检测模态的品质因了会发生长时间的漂移，品质因子 的变化将会直接影响陀螺的灵敏度和线性度。 2 ) 检测电容的变化量( a c ) 比检测电容( c 。) 要小得多 检测模态的检测电容变化量( c ) 通常在a f 级别( 1 a f = 1 0 p f = 1 0 。1 8 f ) ，要检测到 a f 级别电容的变化量本身就具有很大的难度。 3 ) 寄生电容的干扰 。 电容式微机械陀螺在结构和电路上均存在着寄生电容，由于所检测的电容变化量很 小，寄生电容的影响非常明显，如何抑制奇牛电容的影啊就成为电容式微机械陀螺信号 处理的难题o 。 4 ) 电路噪声和机械噪声的影响 由于电容式微机械陀螺的检测信号非常微弱，电路中的白噪声和机械结构中的布朗 噪声对陀螺的影响就显得很明显，限制了陀螺的性能指标。 5 ) 环境噪声的影响 电容式微机械陀螺很容易受到环境噪声的影响，环境噪声信号有声音噪声、机械振 动噪声、电场噪声等当环境噪声的频率处在陀螺榆测模态频率附近时，陀螺会受到很 大的影响。 6 ) 温度的影响 温度的变化将会造成电容式微机械陀螺驱动模态和检测模态固有频率的变化以及 振荡品质闻子的变化等，温度补偿是微机械陀螺的一项重要研究内容。 7 ) 陀螺带宽的限制 中北大学博士学位论文 带宽和灵敏度( 这坐指陀螺的结构灵敏度) 是电容式微机械陀螺的两个很重要的技 术指标。采用真空封装后的电容式微机械陀螺，其驱动模态和检测模态的振动品质因子 会大大提高当陀螺驱动模态的频率和检测模态的频率相同时，陀螺的灵敏度将得到很 大的改善，然而，随着陀螺灵敏度的提高，陀螺的带宽反而会减小。通常要求陀螺的灵 敏度( 指结构灵敏度) 越高越好带宽越宽越好，因此，在电容式微机械陀螺中，需要 牺牲陀螺的灵敏度来满足一定的带宽。常采用的办法是保持陀螺驱动模态和检测模态一 定频率差来提高陀螺的带宽，陀螺所能达到的带宽为驱动模态和检测模态之间的频率 差。 1 5 论文主要的研究内容 本论文依托于韩国三星综合技术院m e m s 加工技术，采用了与a s i c 兼容的表面加工 工艺，为了提高陀螺的灵敏度，采用高深宽比的i c pr i e 深度腐蚀表面加工工艺及真空 封装技术。针对1 4 节电容式微机械陀螺的技术难点进行了深入分析并提出了相应的解 决措施，主要的研究内容为： 1 ) 对电容式微机械陀螺的结构进行了设计、仿真及真窀封装技术进行了研究； 2 ) 对电容式微机械陀螺闭环驱动方法进行了研究，提出了三种自动增益控制的闭 环驱动方法，并对这i 种控制方法进行了相应的仿真分析和对比，设计了一种低噪声的 直流自动增益闭环控制电路； 3 ) 对电容式微机械陀螺前置放大电路进行了研究： 4 ) 对电容式微机械陀螺的高信噪比角速率信号解调方法进行了研究； 5 ) 对电容式微机械陀螺的品质因子、分辨率、工作带如、工作状态、灵敏度和线 性度进行了测试，并对陀螺带宽和灵敏度的优化方法进行了研究。 1 6 论文的组织和安排 本琵文主要研究了电容式微机械陀螺的闭环驱动电路、高信噪比角速率信号解调、 微弱信号检测、带宽和灵敏度的优化等关键技术，全文共分六章进行阐述。 1 4 中北大学博士学位论文 第一章在对微机械陀螺的技术分类、国内外发展现状进行介绍的基础上重点对当 前电容式微机械陀螺的信号处理方法及技术难点进行剖析，对存在的问题和需要进一步 研究的内容做了分析和说明。 第二章主要是对电容式微机械陀螺的结构设计、表面加j 二上艺及真空封装技术作了 简单的分析和介绍，为下面高信噪比信号处理方法及电路设汁作铺垫。 第三章是对电容式微机械陀螺闭环驱动方法进行研究提出了直流自动增益控制、 直流一交流自动增益控制及交流自动增益控制的方法，并进行了仿真对比。同时对电容 式微机械陀螺信号解调算法进行了详细的分析提出了抑制寄生l i 扰的高信噪比信号解 调算法，并采用l a t l a b 软件的s i m u l i n k 对电容式微机械陀螺的闭环驱动、角速率解调 方法进行了仿真及陀螺在冲i f 环境下的模拟仿真。 第四章是根据第三章提出的高信噪比解调方法进行了相关电路的设计、分析及仿 真。电路设计主要包括低噪声前置放大电路、高通滤波电路、限幅电路、a g c 自动增益 控制电路以及角速率解调电路等。 第五章足利用第四章的电路对陀螺的性能参数进行测试，测试的内容有：陀螺振动 品质因子、分辨率、带宽、a g c 静态工作点、工作状态、灵敏度及线性度等。同时提出 了电容式微机械陀螺带宽和灵敏度优化的结构设计和信号处理方法。 第六章对全文进行了概括性的总结和对未来工作的展望。 1 5 一 中北大学博士学位论文 第二章电容式微机械陀螺的结构设计与加工 结构和加工工艺的设计是高信噪比电容式微机械陀螺的基础。本文详细阐述了一种 双检测电极的微机械陀螺结构，可通过差分放大的办法来抑制陀螺的共模噪声，同时， 采用了真空封装技术以提高陀螺的灵敏度。陀螺的n i 依托于韩国三星综合技术院微工 程中心采用了与a s l c 兼容的微机械表面加工工艺和晶圆级真空封装技术。采用表面 加工工艺的电容式微机械陀螺具有如下特点：“。7 1 ) 加工成本低 表面加工电容式微机械陀螺采用的工艺是一种利_ h j 硅片表面薄膜的淀积和腐蚀来 获得所需机械结构的方法，这种方法大量采用了与集成电路兼容的材料和工艺，可以将 机械结构和电路集成于同一芯片内，便于集成和批量生产，可大大降低加工成本。 2 ) 深宽比有限，灵敏度低 表面加工电容式微机械陀螺加工的深宽比有限，即使采用目前最先进的深度反应离 子腐蚀( i c pd r i e ) 工艺，加工的深宽比最多迟到3 0 ：1 这比体加工工艺获得的深宽比要 小得多。刘丁电容检测的微机械陀螺，其电容的变换与深度成正比，故表而加工电容式 陀螺的结构灵敏度低。 为了提高陀螺的结构灵敏度，采取的措施有： 1 ) 采用真卒封装技术，提高陀螺驱动和检测的品质因子= 。： 采用真空封装后微机械陀螺的驱动和检测品质蚓子会凡人提高，通常町以达到几 千甚军卜万。品质因子的提高，微机械陀螺的灵敏度就会昂著提高本文第i 辛就此进 行了详细分析。 2 ) 提高微机搬陀螺的结构尺寸，增加检删屯容的大小 1 。 理论上i 兑，提高微机械陀螺结构尺寸，榆测梳齿的个数就会增多，拎热电容会增大， 结构的灵敏度也会提高。但是，当提高微结构的，j 寸后由于内部应力、机械形变等因 素所造成的影响也会变_ i ，因此，为提高微机械陀螺的灵敏度，需要综合考虑麻力、机 械形变、空间允i 午等情况下提高微结构的尺寸。 表面加工电容式微机械陀螺驱动和检测模态均采用电容检测方式= 由于驱动电极对 中北大学博士学位论文 和检测电极间存在着寄生电容，微机械陀螺在结构上应设计成双检测屯极，通过差分检 测的方法来提高陀螺的信噪比。下面，对本论文的双榆测电极的差分检测结构进行分析 和仿真。 2 1 电容式微机械陀螺的结构设计 本文根据对微机械陀螺结构尺寸的要求，综合考虑双框架陀螺和梳状陀螺的结构特 点，提出一种具有解耦功能的叉指电容式硅微机械陀螺的结构。该结构微机械陀螺具有 以下优点：( 1 ) 驱动弹簧和检测弹簧对称分布，同时采刷x 轴方向驱动、y 轴方向检测 的工作方式，这样不仅可以保证陀螺驱动模态和检测模态之间的机械耦合降到最低，而 且有效提高了陀螺分辨率。( 2 ) 采用i c pd r i e ( 深度反应离子刻蚀) 工艺加工陀螺梳状 叉齿。这样可以有效提高梳齿高深宽比，使陀螺在获得较大驱动振幅的同时增加了灵敏 度。 图2 1 是具有电容式微机械陀螺的工作原理示意图。从图中可以看到该陀螺具有两 个质量块，分别是驱动质量块和检测质量块，用来驱动和检测陀螺其中驱动质量块被 四根对称分布的弓形弹簧支撑，弓形弹簧结构的设计满足下列要求：在驱动方向( x 轴 方向) 具有较小抗弯刚度，在检测方向( y 轴方向) 具有较大抗弯刚度，这样就使陀螺 很容易在x 轴方向被驱动：当检测方向受到哥氏力作用后驱动质量块沿y 轴方向的位 移量非常小可以被忽略不计，最人程度降低了驱动质量块在检测方向产生的机械耦合； 同样的道理，使用存检测方向抗弯刚度较小，驱动方向抗弯刚度较大的四根对称分布的 蟹形弹簧支撑检测质量块，最人限度降低检测质量块对驱动模态的影响。该微机械陀螺 的工作过程如下：首先，驱动质量块连同检测质量块在驱动力作用下沿x 轴方向振动， 当z 轴方向有角速度输入时检测质量块在哥氏力作用下沿y 轴运动此时驱动质量块 沿y 轴方向的位移非常小，可以忽略不计，通过测量检测质量块在y 轴方向位移变化量 就可得到相应输入角速度的大小。 1 7 一 中北大学搏士学位论文 z 图21 电容式表面硅微机械陀螺工作原理示意图 倒2 2 电容，表面辟微机械陀螺站均不童【型 奉论文设汁的电容式微机械陀螺主要应州于便携式摄像机的稳定系统中，因此，该 1 8 中北大学博士学位论文 微机械陀螺的几何尺寸有明确而严格的要求。根据实际需耍限制整个电容式微机械陀螺 的微结构占用的面积在2 7 m m x 2 ，7 m m 范围内。图2 2 是根据陀螺工作原理及尺寸要求 设计的结构示意幽。 在设计微机械陀螺时，首先要考虑陀螺机械结构的各种振动横态。通常来说，驱动 模态和检测模态的潴振频毕应该远低于其它不需要模态的谐振频牢，这样可以尽量降低 其它振动模态对陀螺造成的误差影响，但是出于抗振动的冈素考虑，所有振动模态的频 率都应该高于某个阂值”；同时为使微机械陀螺获得较高灵敏度，应保证陀螺驱动模态 和检测模态谐振频率尽量接近，即驱动模态和检测模态匹配o ”。 2 2 数机械陀螺振动模态研究 根据上述分析首先要确定陀螺驱动模态和检测模态的谐振频率。由r a y l e i g h ( 瑞利) 能量法可以确定陀螺机械结构各阶模态谐振频率为 卜去括 他n 其中， 是支撑系统沿i 方向的刚度系数，m 是被支撑梁带动的运动部分的等效质 量1 。由式2 1 可以知道：陀螺各阶模态的谐振频率丰要取决于陀螺支撑梁在各个方向 的刚度系数。 2 21 驱动模态频率的计算 利用弹性力学知识对弓形结构弹簧沿x 轴方向的刚度系数进行研究。由于支撑驱动 质量块的四根弓形梁是结构完全相同且对称分布，因此只需耍对其中一个弹簧进行研冗 计算”“。下面选择位于驱动质量块左上角的弹簧为研究对象，通过示意图2 1 可以确定， 该弓形梁是一端固定，另一端沿x 轴方向运动的结构。这样的结构在弹性力学分析中槿 于超静定问题，下面对该弹簧进行分析计算。图2 3 是驱动弹簧的结构示意图。 中北大学博士学位论文 圈2 3 马f ( 动弹簧结构示意圈 f 向计算该结构弹罾的弹性系数。 首先对弹簧几何参数进行定义： 仁如哼 ( 22 ) 厶。w 2 + w l ( 2 3 ) = + 导 ( 2 4 ) ：业丝 1 2 ( 2 5 ) 其中w 表示弹簧宽度：w 一表示弹簧两端的间距：h ，表示弹簧较长一端的长度；h ：表 示弹簧较短一端的长度；b 表示弹簧厚度：i 表示弹簧惯性矩。 z 0 中北大学博士学位论文 假设弹簧受到x 轴方向的力正，那么将在x 轴方向产乍力矩，根据结构特点，我们 可以得到各点所受力及力矩的大小，它们之间的关系如下： f = f t = f o = f ： m 8 = me = m n + f 。| 3 1 4 。= m 。+ c ( ，3 一) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 通过对弹簧结构上各点受力及力矩的分析，我们可以分别求得各点在受力后产生的 位移和转动的角度。其中磊、破、靠分别代表点b 、c 、d 在受到力正作用后所产生的 位移；岛、最、舅，分别代表b 、c 、d 点在受到工作用后转动角度的大小a f j 2 丝垃：盟一墨塑一丝益 3 e i2 e i3 e l2 e l2 e i 靠= 一篙+ 警= 一丛2 e 1 + 警+ 百m o l l 6 ：= 6 ， 耻靠+ 警1 f j 町2 牛华+ 幽e 趔1 铒蝴+ 警+ 等 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ：盟一盟+ 墨i 塾! 堡必生+ 丝i 壁二! 垫坐! ( 2 1 3 ) 3 e ， 丛一盟+ 墨垡必+ 丝趾生尘 2 e j 2 e ie i e l 2 e ， 由边界条件既= o 日j 以得到d 点弯矩m 。和对应丁作用力c 的位移量矗， ( 2 1 4 ) 警彤监珊 瑚 ”铲 中北大学博士学位论文 m o 一等铲c 眩 磊= 警 ( 2 令y 。= 2 寸一6 ，3 + 2 ( 3 1 1 + 3 1 2 + 1 3 ) 譬一! ! ! i 筹 因此可以确定驱动弹簧在x 轴方向弹性系数为： i ：墨：丝( 2 1 7 ) 6 j ， p m 通过上述分析可以发现，驱动弹簧刚度系数的大小完全由其几何尺寸决定。冈此， 可以通过改变弹簧几何参数来改变弹簧弹性刚度系数进而改变陀螺驱动模态谐振频率， 满足陀螺驱动模态和检测模态频率匹配的要求。本文设计的陀螺结构采用多晶硅材料加 工，材料的弹性模量e = 1 6 9 0 x 1 0 3 , u n i l t m 2 ，如弹簧的宽度w l = 5 9 m ，弹簧两端的间距 w 2 = 1 5 1 t m ，弹簧较