硅微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)方式研究

許友平 章曉春

【摘 要】硅微機(jī)械陀螺因其體積小、質(zhì)量輕、集成度高、功耗低等優(yōu)良性能特點(diǎn)，已經(jīng)在軍事及民用領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。為將角度率轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，需要驅(qū)動(dòng)硅微機(jī)械陀螺的質(zhì)量塊進(jìn)行振蕩，采取的驅(qū)動(dòng)方式不同對(duì)整個(gè)微機(jī)械陀螺系統(tǒng)的性能有著非常重要的影響。本文對(duì)硅微機(jī)械陀螺的驅(qū)動(dòng)方式的分類、原理和優(yōu)劣勢(shì)等進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】硅微機(jī)械陀螺；驅(qū)動(dòng)方式

中圖分類號(hào)： V241.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）24-0001-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.001

【Abstract】Silicon Micro-machined Gyroscope（SMG）has been widely used in both military and civilian fields for its advantages such as small size，light weight，high integration and low power consumption.In order to convert the angular rate into electrical signal，the mass of SMG needs to be driven to oscillate.Different driving modes have a very important impact on the performance of the entire SMG system.The classification，principle and advantages and disadvantages of driving methods of SMG are studied in this paper.

【Key words】Silicon micro-machined gyroscope；Driving method

0 引言

微機(jī)械陀螺是采用MEMS（Micro Electro-Mechanical System）技術(shù)開發(fā)的一種角速率傳感器，相比傳統(tǒng)的陀螺，微機(jī)械陀螺具有體積小、重量輕、成本低、易集成化等優(yōu)勢(shì)，是陀螺發(fā)展史的第三代陀螺，近年來在汽車電子、醫(yī)療器械、航空航天、智能移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)電路是微機(jī)械陀螺接口電路的組成部分之一，主要用于驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺的質(zhì)量塊進(jìn)行簡諧振動(dòng)。由于驅(qū)動(dòng)電路的性能直接影響微機(jī)械陀螺質(zhì)量塊簡諧振動(dòng)的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)特性，如簡諧振動(dòng)的建立時(shí)間、建立過程的超調(diào)量、簡諧振動(dòng)的振幅穩(wěn)定性、振動(dòng)頻率相對(duì)驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率的跟隨性能等因素，這些因素又決定了整個(gè)微機(jī)械陀螺系統(tǒng)啟動(dòng)過程的品質(zhì)、工作可靠性、檢測(cè)角速率的線性度和靈敏度等方面，因此微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對(duì)使用微機(jī)械陀螺進(jìn)行角速率檢測(cè)具有非常重要的意義，本文在研究國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹幾種典型的微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，并對(duì)其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)進(jìn)行總結(jié)。

1 硅微機(jī)械陀螺介紹

硅微機(jī)械陀螺采用與現(xiàn)代集成電路相同的硅晶圓加工技術(shù)進(jìn)行制造，可以很好地與接口電路進(jìn)行單片集成。常見的高精度、低功耗的硅微機(jī)械陀螺為差分電容式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。方向?yàn)槲C(jī)械陀螺的驅(qū)動(dòng)方向，在該方向上質(zhì)量塊由帶直流偏置的交流電壓（即驅(qū)動(dòng)電壓）驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，方向?yàn)槲C(jī)械陀螺的檢測(cè)方向，由于Coriolis力的作用使得質(zhì)量塊在檢測(cè)方向也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，通過檢測(cè)該方向振動(dòng)引起的差分電容的變化可以最終確定輸入角速率的大小。

微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)電路即為產(chǎn)生上述驅(qū)動(dòng)電壓的電路，根據(jù)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓的方式，驅(qū)動(dòng)電路分為開環(huán)驅(qū)動(dòng)電路和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路兩種類型，開環(huán)驅(qū)動(dòng)電路通過波形發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓的交流部分，而閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路則通過自動(dòng)增益控制器直接放大環(huán)境噪聲中等于陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率的信號(hào)，將其作為驅(qū)動(dòng)電壓的交流部分，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的振動(dòng)幅度不斷擴(kuò)大，直至系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路不需要外界提供驅(qū)動(dòng)電壓的交流部分，也稱為自激驅(qū)動(dòng)。

如圖1所示，微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)方向包括兩組電極：第1組為驅(qū)動(dòng)電極，用于施加驅(qū)動(dòng)電壓為質(zhì)量塊提供靜電驅(qū)動(dòng)力；第2組為驅(qū)動(dòng)方向敏感電極，用于檢測(cè)微機(jī)械陀螺在驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)速度，并提供給驅(qū)動(dòng)電路，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。

微機(jī)械陀螺的靈敏度與質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)幅度有關(guān)，為了獲取較高的靈敏度，需要使得質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)幅度盡可能地大，而質(zhì)量塊振動(dòng)幅度又取決于驅(qū)動(dòng)電壓的直流偏置和頻率，在已指定直流偏置電壓大小的情況下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓的頻率等于微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率時(shí)，質(zhì)量塊的穩(wěn)定振動(dòng)幅度最大[1]，因此不論采用開環(huán)驅(qū)動(dòng)還是閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，都盡可能讓質(zhì)量塊在微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)模塊固有頻率下進(jìn)行諧振，以提高系統(tǒng)靈敏度。

2 開環(huán)驅(qū)動(dòng)

采用開環(huán)驅(qū)動(dòng)需要預(yù)先在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率，然后通過波形發(fā)生器產(chǎn)生與固有頻率相等的交流信號(hào)[2]，由圖 1可見，驅(qū)動(dòng)電極共有兩對(duì)電極，因此需要基于該交流信號(hào)，通過反相電路產(chǎn)生另一個(gè)頻率相同、相位相差180°的交流信號(hào)，兩個(gè)交流信號(hào)分別與指定大小的直流偏置電壓進(jìn)行疊加，形成最終的驅(qū)動(dòng)電壓分別施加在圖 1的兩對(duì)驅(qū)動(dòng)電極上。硅微機(jī)械陀螺開環(huán)驅(qū)動(dòng)的原理如圖 2所示。

通常微機(jī)械陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率在幾百Hz到幾千Hz之間，驅(qū)動(dòng)電壓的交流信號(hào)往往選擇使用正弦信號(hào)，能夠產(chǎn)生該頻率范圍正弦信號(hào)的電路有LC振蕩器、RC振動(dòng)器以及晶體振蕩器等，由于常規(guī)集成電路中電感實(shí)現(xiàn)比較困難，而RC振蕩器電路相對(duì)比較簡單，因此一般采用RC振蕩器作為圖 2中的交流信號(hào)發(fā)生器。

開環(huán)驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要檢測(cè)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向上的振動(dòng)幅度并形成閉環(huán)控制，但是這種驅(qū)動(dòng)方式要求在電路設(shè)計(jì)前需要知道陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率，雖然可以根據(jù)微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論值確定固有頻率的理論值，但由于實(shí)際制作出來的結(jié)構(gòu)難免與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論值存在偏差，因此采用開環(huán)驅(qū)動(dòng)往往需要開展一些測(cè)量工作以確定陀螺的實(shí)際固有頻率。此外，由于實(shí)際使用中微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率會(huì)隨著環(huán)境溫度、壓力等因素的變化而變化，并且陀螺個(gè)體固有頻率的差異隨機(jī)性也比較大，因此開環(huán)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)用性相對(duì)較差。

3 閉環(huán)驅(qū)動(dòng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的閉環(huán)控制，硅微機(jī)械陀螺除具備一組驅(qū)動(dòng)電極以外，還需要設(shè)置一組驅(qū)動(dòng)方向敏感電極，如圖1所示。在驅(qū)動(dòng)方向敏感電極上施加直流電壓，當(dāng)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向上有位移變化時(shí)即會(huì)產(chǎn)生敏感電流，敏感電流的頻率與質(zhì)量塊振動(dòng)頻率相等，幅值由質(zhì)量塊的振動(dòng)幅度決定，與質(zhì)量塊振動(dòng)的相位差由振動(dòng)頻率與驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率的差異決定，當(dāng)振動(dòng)頻率等于固有頻率時(shí)，相位差為零，因此閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路通常只需對(duì)幅值進(jìn)行放大，不需作移相處理，而且隨著驅(qū)動(dòng)電壓幅值的逐漸增大，放大增益會(huì)逐漸減小，直到質(zhì)量塊的振動(dòng)幅度達(dá)到期望值后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，即通過可變?cè)鲆娣糯笃鲗?shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)幅度的控制，閉環(huán)驅(qū)動(dòng)的原理如圖3所示。

閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路相當(dāng)于一個(gè)窄帶通濾波器，環(huán)境噪聲中頻率等于陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率的信號(hào)能夠通過這個(gè)濾波器，其余頻率的信號(hào)都被大幅度衰減，因此這種驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電壓頻率能夠跟隨由于溫度等原因引起的陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率變化，然而，由于其他頻率的信號(hào)不可能完全被衰減，因此驅(qū)動(dòng)電壓頻率與陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率還是存在一定的偏差，且頻率抖動(dòng)也較大。此外，這種電路是從環(huán)境噪聲中提取有用信號(hào)，信號(hào)需在電路和陀螺結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)中反復(fù)多個(gè)來回才能達(dá)到穩(wěn)定，因此建立時(shí)間較長。為了克服以上缺點(diǎn)，可以在閉環(huán)電路中增加PLL（PhaseLockLoop，鎖相環(huán)）回路，形成基于鎖相環(huán)的自激驅(qū)動(dòng)電路[3]。

基于鎖相環(huán)的自激驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示，鎖相環(huán)由鑒頻鑒相器、電荷泵、低通濾波器和壓控振蕩器組成，鑒頻鑒相器檢測(cè)輸入信號(hào)Vin和反饋信號(hào)Vout之間的頻率差和相位差，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)Vup、Vdown來控制其后的電荷泵的工作狀態(tài)，電荷泵產(chǎn)生的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，輸出直流電平Vcont作為壓控振蕩器的控制電壓，調(diào)節(jié)Vout的頻率和相位逐漸靠近Vin的頻率和相位，直到兩者同頻同相，即鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。鎖相環(huán)相當(dāng)于一個(gè)單點(diǎn)濾波器，具有較好的頻率跟蹤功能，可以顯著降低驅(qū)動(dòng)電壓頻率與陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率的偏差，減小頻率抖動(dòng)，并且能夠縮短系統(tǒng)的建立時(shí)間。

4 總結(jié)

本文研究了硅微機(jī)械陀螺開環(huán)驅(qū)動(dòng)與閉環(huán)驅(qū)動(dòng)的原理，分析了為改善微機(jī)械陀螺的靈敏度、線性度、建立時(shí)間等特性，在設(shè)計(jì)微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)電路時(shí)可以采取的措施，其中基于鎖相環(huán)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方式既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振動(dòng)幅值的閉環(huán)控制，又具備良好的頻率跟蹤特性和建立時(shí)間優(yōu)勢(shì)，是保證整個(gè)微機(jī)械陀螺系統(tǒng)測(cè)量品質(zhì)的較好措施。

【參考文獻(xiàn)】

[1]江文寧.基于鎖相環(huán)原理的MEMS硅陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]趙辛娟.電容式微機(jī)械陀螺外圍接口電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試.中北大學(xué)，2012.

[3]楊亮.硅微機(jī)械陀螺數(shù)字化測(cè)控電路技術(shù)研究.南京理工大學(xué)，2013.