專(zhuān)利名稱(chēng)：雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)和微慣性測(cè)量技術(shù)，特別是一種雙質(zhì)量振動(dòng)式硅 微機(jī)械陀螺儀接口電路。
背景技術(shù)：
硅微機(jī)械陀螺儀作為微電子機(jī)械中的一種，它可以將微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)和所需的 電子線路完全集成在一個(gè)硅片上，從而達(dá)到性能、價(jià)格、體積、重量與可靠性等多方面的高 度統(tǒng)一。因而，硅微機(jī)械陀螺儀具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，例如體積小、重量輕、價(jià)格便宜、可靠性 高、可大批量生產(chǎn)等，使之在軍民兩方面都具有廣泛的應(yīng)用前景。在民用方面，主要用于汽 車(chē)工業(yè)、工業(yè)監(jiān)控及消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品和機(jī)器人技術(shù)；在軍用方面，主要用于靈巧炸彈、智能炮彈、 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航等。硅微機(jī)械陀螺儀的驅(qū)動(dòng)模態(tài)利用在電容的兩極板上施加交流電壓，可以產(chǎn)生交變 的靜電驅(qū)動(dòng)力，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)；當(dāng)有角速度輸入時(shí)，產(chǎn)生的科氏力使得硅微機(jī)械陀螺儀 的敏感模態(tài)在與驅(qū)動(dòng)模態(tài)正交的方向上振動(dòng)，該振動(dòng)信號(hào)通過(guò)敏感模態(tài)的敏感電極檢測(cè)出 來(lái)，通過(guò)后續(xù)電路的信號(hào)處理就可以得到輸入的角速度信號(hào)。但由于驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài) 在振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電容變化量很小，通常都在10_1210_15F量級(jí)，所以為了能夠?qū)⑦@個(gè)微弱信 號(hào)檢測(cè)出來(lái)，就需要一個(gè)微弱信號(hào)檢測(cè)與處理電路。1996年，美國(guó)德雷波實(shí)驗(yàn)室提出了一種電荷檢測(cè)的方法(Paul Word, ffaltham, Mass. ELECTRONICS FOR C0RI0LIS FORCE AND OTHER SENSORS. Mar. 28,1994. USPATENT 5481914.)，這種檢測(cè)方法易受到雜散電容和耦合電容的影響，并且為了使環(huán)路相位滿足 360度的條件，還必須在環(huán)路中增加一個(gè)移相器，這在一定程度上增加了閉環(huán)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜性。2005 年，R. Schreier 在其一篇文章中(R. Schreier, J. Silva, J. Steensgaard,and G. C. Temes,"Design-oriented estimation of thermal noise in switched-capacitor circuits,，，IEEETrans. Nov. 2005.)，提到了一種采用開(kāi)關(guān)電容方法進(jìn)行檢測(cè)位移變化的方 法，這種檢測(cè)方法必須有一個(gè)高頻時(shí)鐘信號(hào)，所以就很容易產(chǎn)生高頻噪聲源，并且由于開(kāi)關(guān) 的作用，也伴隨有開(kāi)關(guān)電荷注入所產(chǎn)生的噪聲。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種小型化、低功耗、性能優(yōu)良的硅微機(jī)械陀螺儀接 口電路。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為一種雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口 電路，由閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路和開(kāi)環(huán)檢測(cè)電路兩部分組成，包括自動(dòng)增益控制器、驅(qū)動(dòng)位移電流檢 測(cè)單元、敏感位移電流檢測(cè)單元、移相器、差分放大器、相敏解調(diào)器和低通濾波器，自動(dòng)增益 控制器、驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元、敏感位移電流檢測(cè)單元的一端分別與陀螺連接，自動(dòng)增益 控制器、驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元另一端分別與移相器連接，敏感位移電流檢測(cè)單元的一端與差分放大器連接，該差分放大器、相敏解調(diào)器和低通濾波器依次連接，移相器與相敏解調(diào) 器連接；其中閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元和自動(dòng)增益控制器構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)位移電 流檢測(cè)單元與陀螺的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極相連，用來(lái)檢測(cè)陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)速度，并將此振動(dòng) 速度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，自動(dòng)增益控制器根據(jù)電壓信號(hào)自動(dòng)地調(diào)節(jié)輸出電壓大小，作為驅(qū)動(dòng) 電壓施加到陀螺的驅(qū)動(dòng)電極上；開(kāi)環(huán)檢測(cè)電路由敏感位移電流檢測(cè)單元、差分放大器、相 敏解調(diào)器和低通濾波器組成，敏感位移電流檢測(cè)單元與陀螺的敏感檢測(cè)電極相連，將陀螺 敏感模態(tài)的振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸出，差分放大器將轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)進(jìn)行差分 后放大輸出交流調(diào)幅信號(hào)，移相器根據(jù)電壓信號(hào)與交流調(diào)幅信號(hào)之間的相位關(guān)系，對(duì)電壓 信號(hào)進(jìn)行移相后輸出電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)與交流調(diào)幅信號(hào)一起作為相敏解調(diào)器的參考信 號(hào)，該相敏解調(diào)器進(jìn)行相敏解調(diào)后的輸出信號(hào)輸入低通濾波器，低通濾波器將高頻信號(hào)濾 除，得到直流信號(hào)即為角速度信號(hào)；相敏解調(diào)器的參考信號(hào)為電壓信號(hào)經(jīng)移相后的輸出電 壓信號(hào)。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)(1)采用位移電流的方式檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模 態(tài)和敏感模態(tài)的振動(dòng)速度，有利于減小雜散電容的影響，避免在閉環(huán)驅(qū)動(dòng)中添加移相器，使 閉環(huán)驅(qū)動(dòng)線路得以簡(jiǎn)化。(2)在整個(gè)方案上，采用硅微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率進(jìn) 行驅(qū)動(dòng)，無(wú)高頻信號(hào)產(chǎn)生，所以無(wú)高頻噪聲源存在。(3)壓控增益放大器采用乘法器或比較 器，擴(kuò)大了電路的線性范圍和動(dòng)態(tài)性能。(4)在陀螺的各個(gè)電極上施加有直流偏置，包括公 共端電極，驅(qū)動(dòng)電極，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極和敏感檢測(cè)電極，并且驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極和敏感檢測(cè)電極均 經(jīng)電容后交流虛地，這種設(shè)計(jì)，有助于減小雜散電容的影響，同時(shí)在公共端電極和驅(qū)動(dòng)電極 上施加的直流偏置保證了可以用陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的基頻信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。(5)硅 微機(jī)械陀螺儀敏感模態(tài)采用差分檢測(cè)的方法，可增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)共模干擾的抑制能力。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1是本實(shí)用新型的電路框圖。圖2是本實(shí)用新型電路與陀螺結(jié)構(gòu)接口示意圖。圖3是本實(shí)用新型電流檢測(cè)示意圖和T型網(wǎng)絡(luò)電阻示意圖。圖4是本實(shí)用新型自動(dòng)增益控制器的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合圖1，本實(shí)用新型雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口電路，由閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路和 開(kāi)環(huán)檢測(cè)電路兩部分組成，包括自動(dòng)增益控制器3、驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元2、敏感位移電 流檢測(cè)單元4、5、移相器9、差分放大器6、相敏解調(diào)器7和低通濾波器8，自動(dòng)增益控制器3、 驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元2、敏感位移電流檢測(cè)單元4、5的一端分別與陀螺連接，自動(dòng)增益控 制器3、驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元2另一端分別與移相器9連接，敏感位移電流檢測(cè)單元4、5 的另一端與差分放大器6連接，該差分放大器6、相敏解調(diào)器7和低通濾波器8依次連接，移 相器9與相敏解調(diào)器7連接；其中閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元2和自動(dòng)增益控 制器3構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元2與陀螺的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極35、36相連，用來(lái)檢測(cè)陀螺驅(qū) 動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)速度，陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生位移電流14，此電流經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)位移電流檢
4測(cè)單元2后，并將此振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)15，自動(dòng)增益控制器3以電壓信號(hào)15作為輸 入，并根據(jù)其幅值大小實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)輸出電壓16的大小，作為驅(qū)動(dòng)電壓施加到陀螺的驅(qū)動(dòng)電 極33、34上，用以保持陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的恒幅振蕩。開(kāi)環(huán)檢測(cè)電路由敏感位移電流檢測(cè)單元 4、5、差分放大器6、相敏解調(diào)器7和低通濾波器8組成，敏感位移電流檢測(cè)單元4、5與陀螺 的敏感檢測(cè)電極37、38相連，用來(lái)檢測(cè)陀螺敏感模態(tài)的振動(dòng)速度，陀螺敏感模態(tài)的振動(dòng)會(huì) 產(chǎn)生位移電流17、18，這兩個(gè)電流通過(guò)敏感位移電流檢測(cè)單元4、5后，將陀螺敏感模態(tài)的振 動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)19、20并輸出，差分放大器6將轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)19、20進(jìn)行差 分后放大輸出交流調(diào)幅信號(hào)21，移相器9根據(jù)電壓信號(hào)15與交流調(diào)幅信號(hào)21之間的相位 關(guān)系，對(duì)電壓信號(hào)15進(jìn)行移相后輸出電壓信號(hào)24，該電壓信號(hào)24與交流調(diào)幅信號(hào)21 —起 作為相敏解調(diào)器7的參考信號(hào)，該相敏解調(diào)器7進(jìn)行相敏解調(diào)后的輸出信號(hào)22輸入低通濾 波器8，低通濾波器8將高頻信號(hào)濾除，得到直流信號(hào)23即為角速度信號(hào)。結(jié)合圖2，陀螺的各個(gè)電極上施加有直流偏置，即陀螺的公共端31、32、驅(qū)動(dòng)電極 33、34、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極35、36和敏感檢測(cè)電極37、38均施加直流偏置電壓。驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極35、 36與敏感檢測(cè)電極37、38都經(jīng)上拉后通過(guò)電容交流虛地，并分別與三個(gè)放大器的反相輸入 端相連接，此處的電容起到隔直的作用，而所要檢測(cè)的位移電流等為交流信號(hào)，所以這些電 流信號(hào)通過(guò)電容后流經(jīng)放大器的反饋電阻，從而達(dá)到電流/電壓轉(zhuǎn)換的目的，所以位移電 流檢測(cè)模塊也被稱(chēng)為電流/電壓轉(zhuǎn)換單元。結(jié)合圖3，本實(shí)用新型雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口電路的驅(qū)動(dòng)位移電流檢 測(cè)單元2、敏感位移電流檢測(cè)單元4、5的數(shù)量根據(jù)陀螺的驅(qū)動(dòng)和敏感檢測(cè)電極數(shù)量而定，可 以是一個(gè)或一個(gè)以上，驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元2與敏感位移電流檢測(cè)單元4、5結(jié)構(gòu)一樣，包 括電容、反相放大器、跨阻。下面驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元2以一個(gè)為例，敏感位移電流檢測(cè) 單元4、5以兩個(gè)為例。其中驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元2的跨阻R1跨接在第一反相放大器的反向輸入端和 輸出端，電容C1的一端與第一反相放大器的反向輸入端相連，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極31、32與電容 C1的另一端相連；第一敏感位移電流檢測(cè)單元4的跨阻R2跨接在第二反相放大器的反向輸入端和 輸出端，電容C2的一端與第二反相放大器的反向輸入端相連，敏感檢測(cè)電極38與電容C2的 另一端相連；第二敏感位移電流檢測(cè)單元5的跨阻R3跨接在第三反相放大器的反向輸入端和 輸出端，電容C3的一端與第三反相放大器的反向輸入端相連，敏感檢測(cè)電極37與電容C3的
另一端相連。圖3(a)顯示位移電流檢測(cè)單元是以運(yùn)算放大器為核心的反相放大器構(gòu)成，為了 能夠檢測(cè)到10_12 10_15F量級(jí)的電容變化，跨阻禮通常都在幾十兆歐甚至上百兆歐的量級(jí) 上，這么大的電阻往往難以得到且溫度系數(shù)也難以做到25ppm及其以下，所以跨阻R1常常 用圖3 (b)所示的T型網(wǎng)絡(luò)電阻來(lái)替代，其等效電阻如下式所示，其中R11ZVR12表示電阻 R11和R12并聯(lián)。
從上式可以看出，如果R11ZVR12W等效電阻值與R13的電阻值的比值越大，那么等效電阻Retiu就會(huì)越大，例如若R11 = R12 = IOOkQ ,R13= IkQ，那么等效電阻Requ= 10. 2ΜΩ。 結(jié)合圖4，本實(shí)用新型雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口電路的自動(dòng)增益控制器 3由幅值提取電路10、比較器11、比例積分控制電路12和壓控增益放大器13依次連接組 成，幅值提取電路10完成對(duì)輸入電壓信號(hào)信號(hào)15的幅值提取，并將其幅值信號(hào)25輸出，然 后與參考電壓—起作為比較器11的輸入，比較器11將兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行差分后輸出 差值信號(hào)26，該差值信號(hào)26作為比例積分控制電路12的輸入信號(hào)，產(chǎn)生增益控制電壓27， 該增益控制電壓27作為壓控增益放大器13的增益控制信號(hào)，自動(dòng)地調(diào)節(jié)壓控增益放大器 13的放大倍數(shù)，該壓控增益放大器13的輸出電壓16作為驅(qū)動(dòng)電壓施加到陀螺的驅(qū)動(dòng)電極 33、34上。而其另一個(gè)輸入電壓信號(hào)信號(hào)15做為基準(zhǔn)信號(hào)，增益控制電壓27可以控制電壓 信號(hào)信號(hào)15到信號(hào)16的幅值增益。幅值提取電路10可以是一個(gè)AC-DC芯片，也可以是一 個(gè)由全波或半波整流電路加低通濾波電路構(gòu)成的AC-DC電路，；比較器11即可以是電流比 較器也可以是電壓比較器。
權(quán)利要求一種雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口電路，其特征在于由閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路和開(kāi)環(huán)檢測(cè)電路兩部分組成，包括自動(dòng)增益控制器[3]、驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元[2]、敏感位移電流檢測(cè)單元[4、5]、移相器[9]、差分放大器[6]、相敏解調(diào)器[7]和低通濾波器[8]，自動(dòng)增益控制器[3]、驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元[2]、敏感位移電流檢測(cè)單元[4、5]的一端分別與陀螺連接，自動(dòng)增益控制器[3]、驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元[2]另一端分別與移相器[9]連接，敏感位移電流檢測(cè)單元[4、5]的另一端與差分放大器[6]連接，該差分放大器[6]、相敏解調(diào)器[7]和低通濾波器[8]依次連接，移相器[9]與相敏解調(diào)器[7]連接；其中閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元[2]和自動(dòng)增益控制器[3]構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元[2]與陀螺的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極[35、36]相連，用來(lái)檢測(cè)陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)速度，并將此振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)[15]，自動(dòng)增益控制器[3]根據(jù)電壓信號(hào)[15]自動(dòng)地調(diào)節(jié)輸出電壓[16]大小，作為驅(qū)動(dòng)電壓施加到陀螺的驅(qū)動(dòng)電極[33、34]上；開(kāi)環(huán)檢測(cè)電路由敏感位移電流檢測(cè)單元[4、5]、差分放大器[6]、相敏解調(diào)器[7]和低通濾波器[8]組成，敏感位移電流檢測(cè)單元[4、5]與陀螺的敏感檢測(cè)電極[37、38]相連，將陀螺敏感模態(tài)的振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)[19、20]并輸出，差分放大器[6]將轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)[19、20]進(jìn)行差分后放大輸出交流調(diào)幅信號(hào)[21]，移相器[9]根據(jù)電壓信號(hào)[15]與交流調(diào)幅信號(hào)[21]之間的相位關(guān)系，對(duì)電壓信號(hào)[15]進(jìn)行移相后輸出電壓信號(hào)[24]，該電壓信號(hào)[24]與交流調(diào)幅信號(hào)[21]一起作為相敏解調(diào)器[7]的參考信號(hào)，該相敏解調(diào)器[7]進(jìn)行相敏解調(diào)后的輸出信號(hào)[22]輸入低通濾波器[8]，低通濾波器[8]將高頻信號(hào)濾除，得到直流信號(hào)[23]即為角速度信號(hào)；相敏解調(diào)器[7]的參考信號(hào)為電壓信號(hào)[15]經(jīng)移相后的輸出電壓信號(hào)[24]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口電路，其特征在于驅(qū)動(dòng)位 移電流檢測(cè)單元[2]與敏感位移電流檢測(cè)單元[4、5]結(jié)構(gòu)一樣，包括電容、反相放大器、跨 阻，其中跨阻跨接在反相放大器的反向輸入端和輸出端，電容的一端與反相放大器的反向 輸入端相連，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極[31、32]或敏感檢測(cè)電極[38、37]與電容的另一端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口電路，其特征在于自動(dòng)增 益控制器[3]由幅值提取電路[10]、比較器[11]、比例積分控制電路[12]和壓控增益放 大器[13]依次連接組成，幅值提取電路[10]提取電壓信號(hào)[15]的幅值信號(hào)[25]，幅值與 參考電壓Vref比較，產(chǎn)生差值信號(hào)[26]輸入比例積分控制電路[12]，產(chǎn)生增益控制電壓 [27]，自動(dòng)地調(diào)節(jié)壓控增益放大器[13]的放大倍數(shù)，該壓控增益放大器[13]的輸出電壓 [16]作為驅(qū)動(dòng)電壓施加到陀螺的驅(qū)動(dòng)電極[33、34]上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口電路，其特征在于陀螺的 公共端[31、32]、驅(qū)動(dòng)電極[33、34]、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極[35、36]和敏感檢測(cè)電極[37、38]均施 加直流偏置電壓。專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微機(jī)械陀螺儀接口電路，由閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路和開(kāi)環(huán)檢測(cè)電路兩部分組成，包括自動(dòng)增益控制器、驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元、敏感位移電流檢測(cè)單元、移相器、差分放大器、相敏解調(diào)器和低通濾波器；其中閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)位移電流檢測(cè)單元和自動(dòng)增益控制器構(gòu)成；開(kāi)環(huán)檢測(cè)電路由敏感位移電流檢測(cè)單元、差分放大器、相敏解調(diào)器和低通濾波器組成。本實(shí)用新型采用位移電流的方式檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)的振動(dòng)速度，有利于減小雜散電容的影響，避免在閉環(huán)驅(qū)動(dòng)中添加移相器，使閉環(huán)驅(qū)動(dòng)線路得以簡(jiǎn)化。
文檔編號(hào)G01P3/42GK201688848SQ20102020810
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者丁衡高, 施芹, 蘇巖, 裘安萍 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)