硅微機械陀螺驅動方式研究

許友平 章曉春

【摘 要】硅微機械陀螺因其體積小、質量輕、集成度高、功耗低等優(yōu)良性能特點，已經在軍事及民用領域有著非常廣泛的應用。為將角度率轉換為電信號，需要驅動硅微機械陀螺的質量塊進行振蕩，采取的驅動方式不同對整個微機械陀螺系統(tǒng)的性能有著非常重要的影響。本文對硅微機械陀螺的驅動方式的分類、原理和優(yōu)劣勢等進行研究。

【關鍵詞】硅微機械陀螺；驅動方式

中圖分類號： V241.5 文獻標識碼： A 文章編號： 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

微機械陀螺是采用MEMS（Micro Electro-Mechanical System）技術開發(fā)的一種角速率傳感器，相比傳統(tǒng)的陀螺，微機械陀螺具有體積小、重量輕、成本低、易集成化等優(yōu)勢，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、智能移動設備等領域有著非常廣泛的應用。

微機械陀螺驅動電路是微機械陀螺接口電路的組成部分之一，主要用于驅動微機械陀螺的質量塊進行簡諧振動。由于驅動電路的性能直接影響微機械陀螺質量塊簡諧振動的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)特性，如簡諧振動的建立時間、建立過程的超調量、簡諧振動的振幅穩(wěn)定性、振動頻率相對驅動模態(tài)固有頻率的跟隨性能等因素，這些因素又決定了整個微機械陀螺系統(tǒng)啟動過程的品質、工作可靠性、檢測角速率的線性度和靈敏度等方面，因此微機械陀螺驅動電路的設計對使用微機械陀螺進行角速率檢測具有非常重要的意義，本文在研究國內外相關技術的基礎上，介紹幾種典型的微機械陀螺驅動電路設計，并對其優(yōu)勢和劣勢進行總結。

1 硅微機械陀螺介紹

硅微機械陀螺采用與現(xiàn)代集成電路相同的硅晶圓加工技術進行制造，可以很好地與接口電路進行單片集成。常見的高精度、低功耗的硅微機械陀螺為差分電容式結構，如圖1所示。方向為微機械陀螺的驅動方向，在該方向上質量塊由帶直流偏置的交流電壓（即驅動電壓）驅動振動，方向為微機械陀螺的檢測方向，由于Coriolis力的作用使得質量塊在檢測方向也會產生振動，通過檢測該方向振動引起的差分電容的變化可以最終確定輸入角速率的大小。

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

如圖1所示，微機械陀螺驅動方向包括兩組電極：第1組為驅動電極，用于施加驅動電壓為質量塊提供靜電驅動力；第2組為驅動方向敏感電極，用于檢測微機械陀螺在驅動方向的振動速度，并提供給驅動電路，以實現(xiàn)閉環(huán)驅動。

微機械陀螺的靈敏度與質量塊在驅動方向的振動幅度有關，為了獲取較高的靈敏度，需要使得質量塊在驅動方向的振動幅度盡可能地大，而質量塊振動幅度又取決于驅動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，當驅動電壓的頻率等于微機械陀螺驅動模態(tài)的固有頻率時，質量塊的穩(wěn)定振動幅度最大[1]，因此不論采用開環(huán)驅動還是閉環(huán)驅動，都盡可能讓質量塊在微機械陀螺驅動模塊固有頻率下進行諧振，以提高系統(tǒng)靈敏度。

2 開環(huán)驅動

采用開環(huán)驅動需要預先在實驗中測量微機械陀螺驅動模態(tài)的固有頻率，然后通過波形發(fā)生器產生與固有頻率相等的交流信號[2]，由圖 1可見，驅動電極共有兩對電極，因此需要基于該交流信號，通過反相電路產生另一個頻率相同、相位相差180°的交流信號，兩個交流信號分別與指定大小的直流偏置電壓進行疊加，形成最終的驅動電壓分別施加在圖 1的兩對驅動電極上。硅微機械陀螺開環(huán)驅動的原理如圖 2所示。

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

開環(huán)驅動電路的結構比較簡單，不需要檢測質量塊在驅動方向上的振動幅度并形成閉環(huán)控制，但是這種驅動方式要求在電路設計前需要知道陀螺驅動模態(tài)的固有頻率，雖然可以根據微機械陀螺結構設計的理論值確定固有頻率的理論值，但由于實際制作出來的結構難免與結構設計理論值存在偏差，因此采用開環(huán)驅動往往需要開展一些測量工作以確定陀螺的實際固有頻率。此外，由于實際使用中微機械陀螺驅動模態(tài)的固有頻率會隨著環(huán)境溫度、壓力等因素的變化而變化，并且陀螺個體固有頻率的差異隨機性也比較大，因此開環(huán)驅動電路的實用性相對較差。

3 閉環(huán)驅動

為了實現(xiàn)對驅動電壓的閉環(huán)控制，硅微機械陀螺除具備一組驅動電極以外，還需要設置一組驅動方向敏感電極，如圖1所示。在驅動方向敏感電極上施加直流電壓，當質量塊在驅動方向上有位移變化時即會產生敏感電流，敏感電流的頻率與質量塊振動頻率相等，幅值由質量塊的振動幅度決定，與質量塊振動的相位差由振動頻率與驅動模態(tài)固有頻率的差異決定，當振動頻率等于固有頻率時，相位差為零，因此閉環(huán)驅動電路通常只需對幅值進行放大，不需作移相處理，而且隨著驅動電壓幅值的逐漸增大，放大增益會逐漸減小，直到質量塊的振動幅度達到期望值后進入穩(wěn)定狀態(tài)，即通過可變增益放大器實現(xiàn)對振動幅度的控制，閉環(huán)驅動的原理如圖3所示。

閉環(huán)驅動電路相當于一個窄帶通濾波器，環(huán)境噪聲中頻率等于陀螺驅動模態(tài)固有頻率的信號能夠通過這個濾波器，其余頻率的信號都被大幅度衰減，因此這種驅動電路產生的驅動電壓頻率能夠跟隨由于溫度等原因引起的陀螺驅動模態(tài)固有頻率變化，然而，由于其他頻率的信號不可能完全被衰減，因此驅動電壓頻率與陀螺驅動模態(tài)固有頻率還是存在一定的偏差，且頻率抖動也較大。此外，這種電路是從環(huán)境噪聲中提取有用信號，信號需在電路和陀螺結構組成的系統(tǒng)中反復多個來回才能達到穩(wěn)定，因此建立時間較長。為了克服以上缺點，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)的自激驅動電路[3]。

基于鎖相環(huán)的自激驅動電路原理圖如圖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，鑒頻鑒相器檢測輸入信號Vin和反饋信號Vout之間的頻率差和相位差，產生相應的電壓信號Vup、Vdown來控制其后的電荷泵的工作狀態(tài)，電荷泵產生的電壓經低通濾波器濾波后，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)進入鎖定狀態(tài)。鎖相環(huán)相當于一個單點濾波器，具有較好的頻率跟蹤功能，可以顯著降低驅動電壓頻率與陀螺驅動模態(tài)固有頻率的偏差，減小頻率抖動，并且能夠縮短系統(tǒng)的建立時間。

4 總結

本文研究了硅微機械陀螺開環(huán)驅動與閉環(huán)驅動的原理，分析了為改善微機械陀螺的靈敏度、線性度、建立時間等特性，在設計微機械陀螺驅動電路時可以采取的措施，其中基于鎖相環(huán)的閉環(huán)驅動方式既能夠實現(xiàn)對振動幅值的閉環(huán)控制，又具備良好的頻率跟蹤特性和建立時間優(yōu)勢，是保證整個微機械陀螺系統(tǒng)測量品質的較好措施。

【參考文獻】

[1]江文寧.基于鎖相環(huán)原理的MEMS硅陀螺閉環(huán)驅動電路設計.哈爾濱工業(yè)大學，2015.

[2]趙辛娟.電容式微機械陀螺外圍接口電路的設計與測試.中北大學，2012.

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