[實用新型]一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路

有效

• 申請號: 201720240974.6
• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN206593664U
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 吳煥銘;楊海鋼;尹韜
• 申請（專利權）人: 寧波大學;中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理事務所(普通合伙)33226
• 代理人: 程曉明

技術領域

本實用新型涉及一種微機械陀螺儀的閉環驅動電路，尤其是一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路。

背景技術

微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統。微機械陀螺儀是一種重要的慣性MEMS器件。典型的微機械陀螺儀由傳感器件和接口電路兩部分構成，其工作原理是基于哥氏力(Coriolis Force)效應。以諧振式電容型微機械陀螺儀為例，如圖1所示，閉環驅動電路先將傳感器件的驅動模態(X方向)驅動至諧振狀態，當有外界角速度Ω_z輸入時，在檢測模態(Y方向)將會產生大小為2MΩv的哥氏力F_c，此哥氏力會造成Y方向產生頻率與X方向相同的調幅位移信號y(t)，從而引起檢測極板等效電容C(t)變化，通過檢測電路讀出C(t)并解調濾波，即可得到反映輸入角速度信號Ω_z的輸出電壓信號V_out。

由于微機械陀螺儀傳感器件加工工藝的精度有限，傳感器件驅動方向上的驅動極板與驅動反饋極板間不可避免的會存在一個寄生電容，稱之為寄生跨接電容，如圖2所示。由于寄生跨接電容的存在，導致驅動信號可以直接通過此電容耦合至驅動反饋端，并帶來諸多負面效應。主要的負面效應包括阻止“電學-機械”振蕩的發生以及引發“電學振蕩”。如圖3所示，“電學-機械”振蕩是指閉環驅動電路與驅動極板等效電容C_d與驅動反饋極板等效電容C_s形成的振蕩，一般由陀螺儀驅動軸諧振頻率決定，在幾千赫茲(kHz)至幾十千赫茲(kHz)范圍內，是期望發生的；而“電學振蕩”指閉環驅動電路與寄生跨接電容C_f形成的振蕩，由閉環驅動電路結構和寄生跨接電容C_f的大小有關，一般在百千赫茲(kHz)以上，是不期望發生的。但是，閉環驅動電路與寄生跨接電容構成的環路滿足振蕩發生的增益條件與相位條件時，陀螺儀有可能落入電學振蕩頻率點而無法正常工作，因此，需要想辦法避免電學振蕩。

寄生跨接電容阻止“電學-機械”振蕩發生的原因分析如下。如圖3所示，當存在寄生跨接電容C_f時，閉環驅動電路檢測的電流為經C_f耦合的電流i_f與微陀螺驅動反饋極板端的電流i_s的疊加。由于i_f和i_s有90度的相位差，若i_f遠大于i_s，由于環路中相位條件無法滿足，期望的“電學-機械”振蕩將不會發生。圖3中的振蕩器電學模型可以表示為

其中，X為陀螺儀質量塊的位移，F_ext為驅動力，m_x為陀螺儀質量塊X軸方向重量，ω_x為陀螺儀驅動軸本征角頻率，Q為陀螺儀驅動軸品質因子，V_dc和V_b分別為驅動端和驅動反饋端的直流壓差，V_dr是驅動電壓，C_d為驅動極板等效電容，C_s為驅動反饋極板等效電容，K_F/V²為驅動電壓轉驅動力轉換系數，K_c/x是位移電容轉換系數。由式(1)可得振蕩器跨導的表達式為

令式(2)中跨導相位等于零，可得方程

其中ω_d為驅動信號頻率。為使得式(3)有實數根，需滿足

式(4)表明，避免電學振蕩的發生辦法主要有兩個，第一是從傳感器件機械設計角度，盡量減小跨接寄生電容C_f的值；第二是從電路設計角度，可以通過改變式(4)中的各個變量，比如提高施加在微陀螺質量塊上的極化電壓V_p，以提高直流壓差V_b和V_dc。