微半球陀螺測控電路國內(nèi)外現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

谷留濤， 張衛(wèi)平， 劉朝陽， 田夢雅， 成宇翔

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微米/納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；3.上海航天控制技術(shù)研究所慣性工程技術(shù)研究中心，上海201109）

0 引言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，微慣性技術(shù)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中占有著越來越重要的位置。作為微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中測量角度和角速度的核心部件，微陀螺在軍事制導(dǎo)、航空航天、汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)機(jī)械陀螺，微陀螺采用微加工技術(shù)，具有功耗低、性能高、成本低、可靠性高、體積小、可批量加工等優(yōu)點(diǎn)。按照檢測方式，微陀螺可被劃分為電容式陀螺、壓阻式陀螺、壓電式陀螺、光學(xué)陀螺和隧道陀螺等。

在MEMS微半球諧振陀螺系統(tǒng)中，由于陀螺的尺寸較小，其對溫度、濕度等外界環(huán)境的變化比較敏感，因而其性能受環(huán)境的影響較大。目前，微加工工藝還不能實(shí)現(xiàn)微陀螺的完全對稱性和均勻性，因此微半球陀螺器件的性能很難達(dá)到理想狀態(tài)。為了保證微半球陀螺系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和精度，微半球諧振陀螺的電路系統(tǒng)同樣面臨著很多挑戰(zhàn)。為了減小環(huán)境對陀螺性能的影響，需要溫度補(bǔ)償電路對外界溫度變化做出一定的補(bǔ)償；為了彌補(bǔ)加工工藝的不足，需要正交補(bǔ)償電路、模態(tài)匹配電路對陀螺的對稱性和均勻性做出補(bǔ)償；為了保證陀螺具有較好的工作表現(xiàn)，需要使外部驅(qū)動信號的頻率嚴(yán)格鎖定于工作模態(tài)的中心頻率上，且陀螺輸出信號幅值恒定。與此同時，由于微半球陀螺信號為微弱信號，故而需要采用微弱信號采集技術(shù)和反饋技術(shù)對其進(jìn)行處理，并且通過解調(diào)控制算法得到輸出信號。因此，為保證微半球諧振陀螺系統(tǒng)達(dá)到理想的工作狀態(tài)，相應(yīng)的前置電路系統(tǒng)及相關(guān)的控制解調(diào)算法至關(guān)重要。由于數(shù)字電路已成為如今發(fā)展的趨勢，接口電路的轉(zhuǎn)換精度成為了影響陀螺性能的重要因素之一。因此，Sigma-delta調(diào)制器也成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

1 基本測控電路

作為微陀螺電路測控系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，最早的控制檢測方案是簡單模擬開環(huán)驅(qū)動的直接檢測方案。圖1給出了一種最早的開環(huán)方案的原理圖，其實(shí)現(xiàn)原理為直接給陀螺的2個驅(qū)動電極施加與陀螺工作頻率相等、幅度不變的交流驅(qū)動信號。其中，施加到2個電極的信號相位相反，無反饋控制。信號通過 C/V轉(zhuǎn)換和并放大，在與之前的驅(qū)動信號進(jìn)行相位解調(diào)后輸出檢測結(jié)果。

圖1 模擬開環(huán)測控電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of analog open-loop measurement and control circuit

在開環(huán)模式下，微半球陀螺系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相對而言比較簡單。但是，微半球陀螺系統(tǒng)在電路開環(huán)模式下的缺點(diǎn)也是非常明顯的。首先，開環(huán)控制電路沒有反饋環(huán)路，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，微半球陀螺工作模態(tài)的中心頻率會發(fā)生偏移，而驅(qū)動信號始終保持著固定幅值和頻率的電壓信號，這必然導(dǎo)致微半球陀螺性能的下降。其次，由于制造缺陷，微半球陀螺并沒有理論上的對稱性和均勻性，因此需要控制電路對其給予一定的補(bǔ)償。由于在開環(huán)模式下微半球陀螺的性能無法得到保障，因此，閉環(huán)測控電路成為了微半球陀螺測控電路的研究重點(diǎn)。

隨著數(shù)字電路技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理能力越來越強(qiáng)，越來越多的模擬電路功能可以通過數(shù)字信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。早期的微陀螺數(shù)字測控系統(tǒng)，通常使用DSP芯片來實(shí)現(xiàn)其功能。與DSP相比，F(xiàn)PGA是一種集成了數(shù)百萬個數(shù)字邏輯元件的高性能器件。即使在低功耗和快速并行處理的情況下，它也可以執(zhí)行更為復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷和測量控制功能。2016年，上海交通大學(xué)提出了一種在FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)的力反饋模式下的微半球諧振陀螺數(shù)字式閉環(huán)控制檢測方案［1］，其原理框圖如圖2所示。

圖2 上海交通大學(xué)數(shù)字測控電路原理框圖Fig.2 Block diagram of digital measurement and control circuit developed by Shanghai Jiao Tong University

與力平衡模式相比，全角度模式可以直接測量角度，可以有效避免力平衡模式因時間加分而引起的角度誤差。此外，全角度模式還具有無限的檢測帶寬和滿量程范圍。2014年，美國密西根大學(xué)設(shè)計(jì)了一種鳥巢型的微諧振陀螺的全角度數(shù)字化測控電路［2］，此電路同樣適用于微半球諧振陀螺，其原理框架如圖3所示。此電路由2個鎖相環(huán)、1個解調(diào)模塊、1個參數(shù)計(jì)算器、PI控制器和1個調(diào)制器模塊組成，這些模塊使用FPGA、片外電路和Labview組合配置而成，其測試結(jié)果得到了700（°）/s的滿量程范圍。

圖3 美國密西根大學(xué)全角度測控電路框架圖Fig.3 Frame diagram of full-angle measurement and control circuit developed by University of Michigan

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Sigma-delta

作為從模擬域到數(shù)字域的高分辨率轉(zhuǎn)換器，基于Sigma-delta調(diào)制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器受到了越來越多的關(guān)注。通過相對較小的修改，它們還可以用作電容式MEMS慣性傳感器的機(jī)電力反饋接口，這種接口能夠以相對適中的電路成本結(jié)合力反饋和模數(shù)轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)。Sigma-delta調(diào)制器的特性在于其過采樣和噪聲整形，其可以有效降低通帶內(nèi)的噪聲，從而提高檢測信號在數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換中的信噪比。Sigma-delta ADC具有功耗低、精度高、靈活性高和易于在專用集成電路中實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)的Sigma-delta調(diào)制系統(tǒng)可以顯著提高讀出信號的動態(tài)范圍，并且有效抑制由于工藝誤差導(dǎo)致的性能衰減問題。

2012年，英國南安普頓大學(xué)給出了一種新型的高階連續(xù)時間力反饋帶通機(jī)械電子Sigma-delta調(diào)制器（EMΣΔM）控制系統(tǒng)［3］。 該系統(tǒng)可用于微半球振動陀螺的檢測模態(tài)，其穩(wěn)定性和性能主要取決于所選擇的架構(gòu)，以及拾取電路和信號路徑中各種增益的選擇。2018年，蘇州大學(xué)提出了一種在模態(tài)匹配條件下的雙量化橫軸電容式機(jī)電Σ-Δ調(diào)制器（EM-ΣAM）振動陀螺［4］， 其原理框圖如圖 4所示。EM-ΣAM接口環(huán)路采用四階多路反饋和本地諧振器ΣAM噪聲整形結(jié)構(gòu)，利用了單環(huán)調(diào)制器中的單比特和多比特量化。為了評估量化噪聲的影響，比較了多比特量化器的各種比特?cái)?shù)，并計(jì)算了最佳比特?cái)?shù)。

圖4 四階EM-ΣAM調(diào)制器Fig.4 Fourth-order EM-ΣAM modulator

2.2 模態(tài)匹配

當(dāng)微半球陀螺的驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)具有相同的諧振頻率（模態(tài)匹配）時，陀螺的機(jī)械靈敏度和信噪比可以得到有效的提高［5］。然而，由于制造缺陷的影響，很難通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使兩種模態(tài)的諧振頻率達(dá)到完全匹配。因此，通常采用平板電容器結(jié)構(gòu)的負(fù)剛度靜電效應(yīng)和在平板電極施加直流電壓來改變模態(tài)頻率，從而實(shí)現(xiàn)模態(tài)匹配。

模態(tài)匹配方法一般可被分為2種：一次匹配和實(shí)時匹配。一次匹配又可分為手動調(diào)整和一次性自動匹配。手動調(diào)整方式通過掃描調(diào)諧電壓來執(zhí)行手動調(diào)節(jié)以確定調(diào)諧電壓值，但是該過程耗時長且穩(wěn)定性差。一次性自動匹配主要基于陀螺振動模態(tài)下的幅頻和相頻特性來完成。2014年，中東技術(shù)大學(xué)利用陀螺中殘余的正交信號和驅(qū)動信號之間的相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)了諧振模態(tài)下的頻率匹配［6］。2008年，佐治亞理工學(xué)院利用殘余零速率輸出（ZRO）的幅度完成了微陀螺的模態(tài)匹配［7］。 當(dāng)微陀螺正交歸零時，總是存在ZRO。當(dāng)模態(tài)匹配時，該信號的幅度最大化，因此其可以被用作微陀螺模態(tài)匹配的指標(biāo)。一次匹配方法只有當(dāng)調(diào)諧電壓固定且在模態(tài)匹配之后切斷匹配環(huán)路時才能測量角速率，因此這些方法無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時的模態(tài)匹配。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，陀螺模態(tài)的頻率分裂隨著環(huán)境參數(shù)的變化而變化。因此，一次性匹配不能滿足要求。

實(shí)時匹配主要可被分為外力法和系統(tǒng)補(bǔ)償法。外力法在檢測模態(tài)上施加外部負(fù)載并檢測其響應(yīng)信息以實(shí)現(xiàn)模態(tài)匹配。2018年，蘇州大學(xué)通過在檢測模態(tài)上施加相移45°的附加力信號獲得了相位度量，并使用該相位度量通過比例積分（PI）控制器調(diào)節(jié)了調(diào)諧電壓，最終實(shí)現(xiàn)了實(shí)時模態(tài)匹配［8］，其結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。系統(tǒng)補(bǔ)償方法可以根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境的變化自適應(yīng)地調(diào)整檢測模態(tài)頻率。2015年，北京大學(xué)提出了一種基于改進(jìn)模糊算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的微陀螺，實(shí)現(xiàn)了自動實(shí)時模態(tài)匹配控制的方法［9］。在改進(jìn)的模糊控制系統(tǒng)中，只需要8s即可實(shí)現(xiàn)智能模態(tài)匹配。此外，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時控制系統(tǒng)中，在-40℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了不匹配誤差＜0.32Hz。與一次匹配相比，誤差性能提高了一個數(shù)量級以上。

圖5 相移45°附加力解調(diào)（45°AFD-RM）控制系統(tǒng)框架Fig.5 Frame of phase-shift 45°additional force demodulation （45°AFD-RM）control system

2.3 正交補(bǔ)償

正交誤差是指陀螺驅(qū)動模態(tài)位移與檢測模態(tài)的直接耦合，這種誤差的來源不容易識別和控制，但是制造缺陷被認(rèn)為是正交誤差的主要產(chǎn)生原因。由于目前的微制造技術(shù)無法制造具有完全正交驅(qū)動和檢測模態(tài)的陀螺，因此正交誤差是不可避免的。

目前，正交補(bǔ)償方法主要包括以下幾種：激光修整、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電學(xué)補(bǔ)償。2018年，國防科技大學(xué)利用飛秒激光技術(shù)提出了一種基于質(zhì)量和剛度擾動的微陀螺正交補(bǔ)償方法［10］。這種方法可以實(shí)現(xiàn)微殼體諧振陀螺質(zhì)量的微調(diào)，但其價格昂貴且操作復(fù)雜。2012年，中東技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種正交誤差補(bǔ)償電路，如圖6所示。該系統(tǒng)通過向傳感器的機(jī)械電極施加差分直流（DC）電位，來消除正交誤差［11］。首先，對陀螺檢測模態(tài)的輸出信號進(jìn)行解調(diào)，并將得到的整流信號通過低通濾波器（LPF）以獲得正交信號的幅度信息。然后，將正交幅度與0進(jìn)行比較，并將誤差輸出饋送到PI控制器，PI控制器產(chǎn)生直流電位ΔV差分應(yīng)用于正交電極。正交消除電極的結(jié)構(gòu)固有地將這些直流電位調(diào)制到驅(qū)動模態(tài)頻率，產(chǎn)生與驅(qū)動器位移精確同相的適當(dāng)?shù)恼幌Α?/p>

圖6 中東技術(shù)大學(xué)的正交誤差補(bǔ)償電路Fig.6 Quadrature error compensation circuit developed by Middle East Technical University

2.4 溫度補(bǔ)償

MEMS陀螺大多由硅加工制造而成。硅是一種高溫敏感材料，其物理特性隨環(huán)境溫度而變化很大，同時其結(jié)構(gòu)中的機(jī)械熱噪聲也會影響陀螺的性能。過去，已有很多機(jī)構(gòu)對MEMS陀螺性能與溫度的關(guān)系做出了大量的研究。2005年，加利福尼亞理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究表明，驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)諧振頻率與溫度呈線性關(guān)系［12］。2006年，哈爾濱工程大學(xué)采用線性振動陀螺的架構(gòu)模型分析了緩慢變化的溫度對驅(qū)動和檢測模態(tài)的幅度和相位的影響［13］。2007年，Joo等人描述了溫度對陀螺封裝的影響［14］。2010年，馬里蘭大學(xué)設(shè)計(jì)了從-25℃～125℃的不同角速率的溫度實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)重復(fù)了500次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)MEMS陀螺在長時間的熱循環(huán)中工作時，其會產(chǎn)生顯著的角速度漂移［15］。目前，用于提高陀螺溫度特性的方法包括以下幾種：結(jié)構(gòu)補(bǔ)償、材料補(bǔ)償、軟件算法補(bǔ)償和溫度控制。

2018年，劉吉利等人提出了一種基于半球陀螺自身諧振頻率的自補(bǔ)償方法［16］，其架構(gòu)如圖7所示。該方案在原有陀螺測控電路的基礎(chǔ)上增加了一個溫度補(bǔ)償模塊，該模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)，主要包括陀螺諧振頻率檢測和陀螺零偏溫度建模2個子模塊。經(jīng)過測試，該方案使得陀螺的溫度穩(wěn)定性提升了一個數(shù)量級。

圖7 自補(bǔ)償方案架構(gòu)Fig.7 Architecture of self-compensation scheme

3 結(jié)論

本文研究了微半球陀螺測控電路技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探究。目前，大多數(shù)測控系統(tǒng)均采用了數(shù)字和模擬相結(jié)合、閉環(huán)驅(qū)動、開/閉環(huán)檢測的方式。為了彌補(bǔ)制造缺陷及適應(yīng)環(huán)境變化，測控系統(tǒng)還需要正交補(bǔ)償、模態(tài)匹配和溫度補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的支持。

未來，微半球陀螺測控電路中數(shù)字測控部分所占的比例會越來越高，但微半球陀螺測控電路不可能完全拋離模擬電路。因?yàn)橐雇勇莓a(chǎn)生的微弱電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電路可以處理的數(shù)字信號，必須要有模擬電路對其進(jìn)行相應(yīng)的處理，全角度模式因其無限的檢測帶寬和滿量程范圍也成為了最近研究的熱點(diǎn)。Sigma-delta電路的發(fā)展可以進(jìn)一步提高陀螺數(shù)據(jù)采集的精度，正交補(bǔ)償和模態(tài)匹配技術(shù)的發(fā)展對提高微半球陀螺的性能起著關(guān)鍵作用，實(shí)時匹配和自校準(zhǔn)技術(shù)目前已在微半球陀螺測控電路中得到了應(yīng)用。利用陀螺自身參數(shù)設(shè)計(jì)的外圍溫度補(bǔ)償電路的應(yīng)用，擺脫了陀螺對溫度傳感器的依賴，可以簡化微半球陀螺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高微半球陀螺對環(huán)境的適應(yīng)能力。