基于反相取消結(jié)構(gòu)的全差分微陀螺儀饋通取消電路*

吳雨婷，張衛(wèi)平，劉敏茜，谷留濤，崔 峰

(1.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ·上?！?00240；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系·上?！?00240)

0 引 言

在過(guò)去的幾十年里，微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技術(shù)已經(jīng)深入到生活的方方面面。目前，MEMS慣性傳感器已被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車(chē)電子甚至航空航天領(lǐng)域。在MEMS器件中，微陀螺儀因其輸出數(shù)字信號(hào)、信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單、精度高的特點(diǎn)而備受關(guān)注。

微陀螺儀利用科里奧利效應(yīng)實(shí)現(xiàn)從驅(qū)動(dòng)模態(tài)向檢測(cè)模態(tài)的能量傳遞，從而測(cè)量外部輸入的角速度[1]。到目前為止，平面質(zhì)量塊諧振式微陀螺儀因其制造工藝要求簡(jiǎn)單、成本低，是目前應(yīng)用最廣泛的微陀螺儀之一。大多數(shù)平面質(zhì)量塊諧振式微陀螺儀都通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)的方式工作，但是電容式微慣性器件易受寄生參數(shù)的影響，尤其是寄生電容，驅(qū)動(dòng)信號(hào)將通過(guò)寄生電容從驅(qū)動(dòng)電極直接耦合到檢測(cè)電極，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為饋通效應(yīng)[2]。饋通效應(yīng)是微陀螺中影響最大的寄生效應(yīng)之一。饋通電容包含驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極之間的寄生電容以及通過(guò)襯底或封裝耦合連接到傳感電極的電容，這些寄生參數(shù)都會(huì)對(duì)微陀螺儀的信號(hào)檢測(cè)造成很大的干擾，在實(shí)際應(yīng)用中，這種干擾不能忽略，所以需要對(duì)饋通進(jìn)行抑制。

為了減少饋通電容對(duì)諧振器傳輸特性的影響，研究人員提出了許多解決方案。例如，Trusov等人通過(guò)機(jī)電調(diào)幅(Electromechanical Amplitude Modulation，EAM)消除寄生饋通的影響[3]，該方法使用高頻交流載波調(diào)制低頻信號(hào)，濾波后可以實(shí)現(xiàn)諧振信號(hào)和饋通信號(hào)的分離。然而，這種方法需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的高頻檢測(cè)電路，高頻載波會(huì)在電路輸出引入一個(gè)高頻噪聲，從而影響信號(hào)檢測(cè)。Lee等人提出了一種添加無(wú)共振虛擬諧振器的方法，從而消除饋通效應(yīng)[4]。這項(xiàng)技術(shù)需要制造一個(gè)與被測(cè)諧振器高度匹配對(duì)稱(chēng)的附加諧振器，因此需要很高精度的制造工藝，加工難度較大，制造過(guò)程的偏差很容易引起兩個(gè)諧振器之間的失配，饋通抑制效果并不理想，甚至?xí)黾羽佂╗5]。針對(duì)目前存在的問(wèn)題，需要一種新的方法來(lái)減小饋通電容的影響，提高微陀螺儀的性能。

本文設(shè)計(jì)了一種基于反相饋通取消的全差分接口電路。該方法利用陀螺儀結(jié)構(gòu)中的推挽電極形成全差分電路，并結(jié)合了反相饋通消除電路以消除差分路徑的失配，從而減小饋通效應(yīng)對(duì)信號(hào)測(cè)量的影響。本文以方形質(zhì)量塊微振動(dòng)陀螺儀為研究對(duì)象。首先介紹陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作方式，利用導(dǎo)納圓圖研究饋通效應(yīng)的機(jī)理和影響。然后，通過(guò)理論分析，提出了將全差分結(jié)構(gòu)與反相饋通取消電路相結(jié)合的饋通取消方法。另外，將系統(tǒng)等效為帶有反饋抵消電路的RLC電路模型，從理論上分析該方法的可行性。最后，通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所提出的饋通取消方案的有效性。

1 饋通效應(yīng)理論分析

微陀螺儀是一種利用科里奧利效應(yīng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度的慣性傳感器。質(zhì)量塊線性諧振微陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)是由可動(dòng)質(zhì)量塊及用于檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)的電極組成的。本文研究的質(zhì)量陀螺儀采用傳統(tǒng)的SOI和陽(yáng)極鍵合工藝制備。為消除單端驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的二次諧波相位，采用推挽方式設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模態(tài)的檢測(cè)電極，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的方向分別沿X軸和Y軸方向。當(dāng)外部角速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊受到科里奧利力的影響，在檢測(cè)方向上產(chǎn)生諧振。電容的大小與外界輸入的角速度成比例關(guān)系，通過(guò)推挽電極差分輸出信號(hào)。

圖1 饋通效應(yīng)電路模型Fig.1 Feedthrough effect circuit model

帶饋通電容的質(zhì)量塊線性諧振陀螺儀模型如圖1所示。其中，Cs表示微陀螺儀敏感電容。電極與襯底之間可以通過(guò)空氣介質(zhì)形成寄生電容Csu1和Csu2，由于低阻硅襯底的電阻很小，所以驅(qū)動(dòng)電極上的輸入電壓可以通過(guò)Csu1、襯底和Csu2條通路耦合到輸出端，形成饋通效應(yīng)[6]。

在驅(qū)動(dòng)電極上施加交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vac，在諧振器的質(zhì)量塊上施加直流偏置電壓VP。驅(qū)動(dòng)電極通過(guò)放大器“虛地”，以此驅(qū)動(dòng)電極與活動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的平板電容。當(dāng)交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vac的頻率與陀螺儀的諧振頻率相等時(shí)，可動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移達(dá)到最大。微陀螺儀的振動(dòng)會(huì)在質(zhì)量塊和檢測(cè)電極之間產(chǎn)生一個(gè)變化的電容信號(hào)，信號(hào)檢測(cè)就是檢測(cè)MEMS運(yùn)動(dòng)引起的檢測(cè)電極和質(zhì)量塊之間的電容變化。為了讀出該變化信息，在電容之間加一個(gè)直流偏壓VP，使得檢測(cè)電極上產(chǎn)生微弱的交流電流信號(hào)，其幅值與質(zhì)量塊的振幅成正比，從而可以量化這種電容變化。可變電容與檢測(cè)電極檢測(cè)到的電流信號(hào)之間的關(guān)系為

(1)

其中，CS為可動(dòng)結(jié)構(gòu)與電極之間的可變電容，Ct為包括Csu1和Csu2在內(nèi)的所有驅(qū)動(dòng)電極與檢測(cè)電極之間的饋通電容總和。式中的第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)諧振器振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)電流，也就是有效信號(hào)；第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)寄生參數(shù)導(dǎo)致的寄生電流或饋通電流，疊加在有效電流上一起輸出。

對(duì)于采用MEMS工藝制造的質(zhì)量塊線性諧振微陀螺儀來(lái)說(shuō)，由于襯底與電極之間的鍵合面積大，產(chǎn)生的寄生電容也很大[6]。同時(shí)，在PCB設(shè)計(jì)的制造過(guò)程中，難免會(huì)引入寄生電容，這也是饋通電容的來(lái)源之一。由于饋通電容較大，輸入和輸出之間的饋通效應(yīng)不容忽視。

通過(guò)建立諧振器的等效電路模型，從理論上分析饋通電容對(duì)信號(hào)的影響。對(duì)于諧振式微陀螺儀，可以將其看作是一個(gè)二自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程可以等效為RLC振蕩電路的電學(xué)方程，因此可以用串聯(lián)RLC電路建立微陀螺儀結(jié)構(gòu)的理想等效模型[7]。為了分析饋通效應(yīng)的影響，將各種來(lái)源的饋通電容集總為一個(gè)總的寄生電容Ct。

加入等效饋通電容后，得到微陀螺的實(shí)際等效RLC模型，如圖2所示。其中，串聯(lián)的RLC振蕩電路表示微陀螺的等效電路模型，并聯(lián)的Ct是集總饋通電容。Rm，Cm和Lm為諧振器的等效電參數(shù)。檢測(cè)電流為饋通電流If和有效電流Im之和。

圖2 帶饋通電容的RCL等效電路模型Fig.2 Equivalent RLC model with a feedthrough capacitor

根據(jù)等效電路圖2，將電路的導(dǎo)納Ym表示為

(2)

其中，ω是施加在驅(qū)動(dòng)電極上交流電壓的頻率。式(2)中，等號(hào)右端第一項(xiàng)為諧振器的諧振分量，第二項(xiàng)為饋通分量。式(2)關(guān)于導(dǎo)納Ym可以進(jìn)一步寫(xiě)成實(shí)部和虛部的形式

(3)

其中，Gm是導(dǎo)納的實(shí)部，Bm是導(dǎo)納的虛部。導(dǎo)納Ym的?？梢愿鶕?jù)式 (3)計(jì)算，進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(4)

根據(jù)式(4)的形式，導(dǎo)納可以用一個(gè)圓來(lái)表示，稱(chēng)為導(dǎo)納圓，如圖3所示。導(dǎo)納圖對(duì)應(yīng)信號(hào)傳遞函數(shù)的幅頻特性和相頻特性，從坐標(biāo)原點(diǎn)到任意一點(diǎn)的直線長(zhǎng)度與信號(hào)幅值成正比，該直線和實(shí)軸之間的夾角對(duì)應(yīng)于信號(hào)相位角。頻率沿導(dǎo)納圓順時(shí)針增加，導(dǎo)納圓的極值點(diǎn)代表諧振器的諧振點(diǎn)。

圖3 饋通效應(yīng)的導(dǎo)納圓圖Fig.3 Admittance circle diagram with feedthrough effect

從圖3中可以看出，如果不存在饋通，即Ct=0，則導(dǎo)納圓是一個(gè)圓心為(1/2Rm，0)，半徑為1/2Rm的圓，即圖3中的藍(lán)色虛線圓。然而，當(dāng)存在饋通電容時(shí)，由式(4)可以看出，導(dǎo)納圓的圓心變?yōu)?1/2Rm，ωCt)，即圖3中的紅色實(shí)線圓。另外，隨著饋通電容Ct的增加，圓點(diǎn)位置將偏離(1/2Rm，0)向虛軸(Bm)正向移動(dòng)，這將導(dǎo)致從原點(diǎn)到導(dǎo)納圓任意點(diǎn)的距離存在兩個(gè)極值：極小值P和極大值S，如圖3所示。這反映在信號(hào)的頻響特性中表現(xiàn)為存在兩個(gè)共振頻率點(diǎn)，除了RLC串聯(lián)諧振支路產(chǎn)生的串聯(lián)諧振點(diǎn)(對(duì)應(yīng)于S點(diǎn))外，還存在由饋通電容與諧振器并聯(lián)產(chǎn)生的并聯(lián)諧振點(diǎn)(對(duì)應(yīng)于P點(diǎn))。

結(jié)合式(4)和圖3可以看出，串聯(lián)諧振點(diǎn)S對(duì)應(yīng)信號(hào)最大振幅點(diǎn)，并聯(lián)諧振點(diǎn)P對(duì)應(yīng)信號(hào)最小振幅點(diǎn)，并聯(lián)諧振點(diǎn)P在幅頻特性曲線上呈現(xiàn)出反共振峰[8]。在相頻特性曲線中，由于饋通電容的影響，相位將從90°逐漸減小到負(fù)值，然后再返回到90°，如圖4所示。這意味著由于饋通電容的存在，驅(qū)動(dòng)的諧振頻率(這里定義為最大幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率)與微陀螺儀固有頻率不匹配，因此導(dǎo)致了微陀螺儀振動(dòng)特性參數(shù)的測(cè)試誤差。

(a) 陀螺儀幅頻特性曲線

(b) 陀螺儀相頻特性曲線圖4 饋通效應(yīng)仿真圖Fig.4 Simulation results of feedthrough effect

當(dāng)饋通電容足夠大時(shí)，幅頻特性曲線會(huì)隨著饋通電流的增大向上移動(dòng)，諧振峰會(huì)被淹沒(méi)。當(dāng)諧振峰高度小于3dB時(shí)，將無(wú)法測(cè)量品質(zhì)因數(shù)Q。因此，饋通電容的存在會(huì)干擾陀螺儀的性能測(cè)試結(jié)果。由此可見(jiàn)，當(dāng)饋通電容足夠大時(shí)，饋通效應(yīng)的影響是不可忽略的。

為了模擬饋通效應(yīng)，建立了如圖2所示的RLC等效電路，利用式(5)推導(dǎo)可得諧振器的等效電路參數(shù)R，L和C

(5)

其中，ω1為驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率，m為等效質(zhì)量，Q1為驅(qū)動(dòng)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)，K=2VPC0/x0，其中C0為電極與諧振器之間的靜態(tài)電容，x0為電極與諧振器之間的靜態(tài)距離。

不同大小的饋通電容的饋通效果仿真結(jié)果如圖4所示。當(dāng)饋通影響存在時(shí)，幅頻響應(yīng)曲線上除了微陀螺儀固有頻率附近的諧振峰還伴隨有一個(gè)向下的缺口。隨著饋通電容的增大，諧振頻率略低于固有頻率，且饋通電平增大會(huì)導(dǎo)致諧振峰值變得不明顯甚至被淹沒(méi)，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

2 饋通取消方案

對(duì)于微陀螺儀，差分檢測(cè)常用來(lái)抑制包括饋通信號(hào)在內(nèi)的共模誤差[9]，但這種方法的效果在很大程度上取決于兩條差分路徑的對(duì)稱(chēng)性。由于制造工藝、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的誤差，微陀螺儀的對(duì)稱(chēng)性不能達(dá)到理想狀態(tài)，因此不能完全消除饋通[10]。本文提出了一種將反相饋通取消電路與全差分結(jié)構(gòu)相結(jié)合的饋通抑制方法，該方法可以在不減小驅(qū)動(dòng)力的情況下調(diào)節(jié)饋通效應(yīng)，在很大程度上降低饋通帶來(lái)的影響。

圖5為本文設(shè)計(jì)的全差分微陀螺儀接口電路原理圖。驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)單端轉(zhuǎn)差分電路轉(zhuǎn)換為幅值和頻率相等，相位差180°的兩部分信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)微型陀螺儀。將兩個(gè)反相饋通取消結(jié)構(gòu)跨接在兩對(duì)驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極之間，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)饋通的抑制。另外，采用差分檢測(cè)結(jié)構(gòu)讀出微陀螺儀產(chǎn)生的兩個(gè)差分檢測(cè)信號(hào)，差分檢測(cè)結(jié)構(gòu)可將饋通引起的共模誤差相減抵消。再通過(guò)帶通濾波器(Band Pass Filter，BPF)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，去除頻帶外的高頻和低頻噪聲，從而提高電路的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)。最后，濾波后的信號(hào)通過(guò)ADC驅(qū)動(dòng)器輸出到網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)字信號(hào)處理模塊。

圖5 結(jié)合饋通取消的全差分接口電路結(jié)構(gòu)原理圖Fig.5 Schematic diagram of the fully differential interference circuit with feedthrough cancellation

在差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的輸入端，利用低通濾波器(Low-Pass Filter，LPF)對(duì)DAC的階梯狀波形進(jìn)行平滑處理，從而降低高階雜波對(duì)信號(hào)的影響。當(dāng)差分驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加在微陀螺儀的差分驅(qū)動(dòng)電極上，分別通過(guò)兩路饋通電容耦合到差分檢測(cè)電極，并產(chǎn)生相反的饋通電流。如果差分驅(qū)動(dòng)信號(hào)相互對(duì)稱(chēng)，且差分輸入和差分輸出之間的饋通路徑匹配，則由差分驅(qū)動(dòng)電極耦合至差分檢測(cè)電極的饋通電流可以在檢測(cè)電極上相互抵消，從而減小饋通電流。由于差分饋通取消的效果在很大程度上取決于差分驅(qū)動(dòng)信號(hào)的對(duì)稱(chēng)性，為了改善差分輸出信號(hào)的對(duì)稱(chēng)性，采用了參數(shù)優(yōu)化的單端轉(zhuǎn)雙端電路，使得輸出差分信號(hào)盡量平衡。

在差分檢測(cè)電路中，采用兩路電容-電壓(C/V)轉(zhuǎn)換電路提取電容變化，將微陀螺的電容變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大。將C/V轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)輸出至減法器，抵消從差分檢測(cè)電極輸出的剩余饋通信號(hào)。

本文采用集成的儀表放大器芯片構(gòu)造減法器，與使用分立器件搭建減法器的方法相比，集成儀表放大器芯片具有更高的共模抑制率和更低的噪聲，有利于降低陀螺儀微弱信號(hào)中的饋通電平。并且集成儀放芯片可以實(shí)現(xiàn)很高的增益，適用于檢測(cè)微小信號(hào)，差分檢測(cè)電路的總增益設(shè)計(jì)為200M。

C/V轉(zhuǎn)換電路作為陀螺機(jī)械結(jié)構(gòu)與接口電路之間最前端的接口電路，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)性能至關(guān)重要[11]。本文采用跨阻放大電路(Transimpedance Amplifier，TIA)實(shí)現(xiàn)電容到電壓的轉(zhuǎn)換。TIA既具有高阻抗的低噪聲特性，又具有低阻抗的寬帶寬特性[12]。TIA的電路原理圖如圖6所示。

圖6 電阻反饋跨阻放大器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of resistance feedback TIA

圖6中，Rb為輸入端的寄生電阻，Cp為輸入端的寄生電容，Rf為反饋電阻，Rf的值決定了總的跨阻增益。同時(shí)，引入反饋電容Cf防止振蕩，提高電路的穩(wěn)定性。典型TIA電路的傳遞函數(shù)由式(6)給出。通過(guò)優(yōu)化電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高增益和低噪聲的C/V轉(zhuǎn)換。

(6)

理想情況下，差分輸入和輸出之間的饋通路徑彼此緊密匹配，使用上述全差分結(jié)構(gòu)可以完全消除饋通。但由于制造工藝、測(cè)試環(huán)境和其他誤差因素的存在，差分檢測(cè)端與差分驅(qū)動(dòng)端之間的寄生饋通可能不匹配，導(dǎo)致差分輸入信號(hào)產(chǎn)生的兩個(gè)饋通電流不平衡，僅能抑制部分饋通。

為了解決這一問(wèn)題，本文采用了雙邊反相饋通取消結(jié)構(gòu)，分別連接在兩對(duì)驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極之間，以調(diào)節(jié)兩路差分電路和饋通電容不對(duì)稱(chēng)引起的誤差。反相饋通取消電路的原理圖如圖7所示。

圖7 反相饋通抑制電路示意圖Fig.7 Schematic diagram of the inverse feedthrough cancellation circuit

在饋通抑制電路中，反相饋通取消電路與微陀螺儀并聯(lián)。增益可調(diào)的反相放大器用于產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相的交流信號(hào)，然后與饋通補(bǔ)償電容Ctc串聯(lián)，用于產(chǎn)生與饋通電流It反相的饋通補(bǔ)償電流Itc。這兩個(gè)反相的電流在檢測(cè)電極上疊加輸出，使得總的等效饋通電流減小。因此，當(dāng)反相器的增益調(diào)整到適當(dāng)值時(shí)，使Itc和It的幅值匹配，可以很大程度上相互降低饋通電流。根據(jù)圖7，檢測(cè)電極檢測(cè)到的輸出電流Io可以表示為

(7)

其中，Im是微陀螺儀的敏感電流。為了消除饋通電流，即It=Itc，電路參數(shù)值應(yīng)滿足

(8)

其中，R2為可調(diào)電阻，可通過(guò)調(diào)節(jié)其數(shù)值以滿足式(8)的取消匹配條件。

調(diào)節(jié)R2從0開(kāi)始增大，饋通信號(hào)逐漸減小，此時(shí)輸出信號(hào)的主要成分為饋通電流It。當(dāng)R2增大至CtR1/Ctc時(shí)，饋通信號(hào)被完全補(bǔ)償，輸出的等效饋通信號(hào)為零。當(dāng)R2繼續(xù)增大，輸出的等效饋通信號(hào)與之前反相并隨著R2的增大而增大，此時(shí)輸出信號(hào)的主要成分為饋通補(bǔ)償電流Itc。所以為了防止出現(xiàn)過(guò)調(diào)，需要采用量程合適的高精度可調(diào)電阻R2。

采用兩個(gè)饋通取消電路調(diào)節(jié)兩個(gè)差分路徑上的饋通電平，以平衡全差分結(jié)構(gòu)中的饋通電流。這樣，通過(guò)將全差分結(jié)構(gòu)與反相饋通取消電路相結(jié)合，理論上可以達(dá)到良好的饋通抑制效果。該方法不依賴(lài)于器件的對(duì)稱(chēng)性，饋通抑制效果可根據(jù)不同微陀螺儀的不同饋通電容大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，可適用于不同參數(shù)的微陀螺儀。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

本文根據(jù)測(cè)試條件和測(cè)試要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的PCB板接口電路，微陀螺儀通過(guò)轉(zhuǎn)接板與接口電路PCB相連，具體實(shí)現(xiàn)如圖8所示。

圖8 接口電路PCB實(shí)物圖Fig.8 PCB design of the interference circuit

根據(jù)圖5的框架，建立微振動(dòng)陀螺儀的測(cè)試系統(tǒng)，以實(shí)驗(yàn)室自主制備的四質(zhì)量塊陀螺儀為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行測(cè)試。主要測(cè)試儀器包括：DH178E-3直流電源、UNI-T UTP3305直流電源、安捷倫E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀及接口PCB板。DH178E-3直流電源為讀出電路提供±5V直流電源。UNI-T UTP3305直流電源為陀螺儀提供直流偏置電壓Vp。使用安捷倫E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量該諧振器的信號(hào)傳輸。網(wǎng)絡(luò)分析儀可為微陀螺儀輸入提供大范圍可控的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)，掃描范圍設(shè)定為29409～29430Hz。

為了減小諧振器的振動(dòng)阻尼，在定制的真空探針臺(tái)上測(cè)量了該諧振器在真空下的電傳輸[13]。施加在諧振器的直流偏置電壓Vp為15V，交流驅(qū)動(dòng)電壓Vac的幅值為775mV，真空壓力為6Pa，整體的測(cè)試環(huán)境如圖9所示。

圖9 微陀螺儀實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.9 Experimental setups

首先使用單端輸入單端輸出(無(wú)饋通抑制)的配置測(cè)量了陀螺儀的電傳輸S21曲線，然后測(cè)試了本文所設(shè)計(jì)的帶反相饋通取消電路的全差分結(jié)構(gòu)接口電路的電傳輸S21曲線。

圖10為無(wú)饋通抑制措施的單端配置下測(cè)量的S21傳輸特性測(cè)量結(jié)果。其中，紅色軌跡為幅頻響應(yīng)曲線，藍(lán)色軌跡為相頻響應(yīng)曲線。幅頻響應(yīng)曲線上的最大幅值點(diǎn)代表微陀螺儀的諧振點(diǎn)。從圖中可以看出，微陀螺儀的諧振頻率為29418.539Hz，略低于理論固有頻率。

圖10 無(wú)饋通抑制的掃頻測(cè)試Fig.10 Frequency sweep test without feedthrough cancellation

從圖10可以看出，在幅頻特性曲線中，諧振峰值約為2.02dB，饋通電平約為0.10dB，如圖10中的綠色虛線所示。此時(shí)，饋通電平太高，因此共振峰被埋沒(méi)，無(wú)法計(jì)算微陀螺儀的品質(zhì)因子Q，且SNR僅為1.92dB。在這里，SNR定義為陀螺儀諧振頻率處的峰值與饋通水平的比值。同時(shí)，寄生饋通電流使得大于諧振頻率處出現(xiàn)并聯(lián)諧振。在相頻特性曲線中，諧振頻率處僅產(chǎn)生30°相移，并且在高頻下相位恢復(fù)到約90°，以上測(cè)試結(jié)果與第2節(jié)的理論分析一致。

采用使用全差分配置和反相饋通消除電路進(jìn)行饋通消除后，測(cè)量微陀螺儀電傳輸曲線如圖11所示。與圖10相比，圖11的饋通水平顯著降低，共振峰更加明顯，并且消除了由饋通效應(yīng)引起的反共振峰。最終實(shí)際測(cè)得陀螺儀的諧振頻率為29419.56Hz，諧振峰值為-7.38dB，饋通電平為-32.95dB。采用該方法消除饋通電流后，信噪比約為25.57dB，比饋通抑制前提高了13.32倍。此時(shí)，可以測(cè)得微陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)Q，測(cè)得的Q值約為23781。圖11的相頻特性響應(yīng)顯示，在諧振點(diǎn)處，相位偏移約為0°，符合預(yù)期。結(jié)果表明，所提出的饋通抑制方法大大提高了微陀螺的檢測(cè)性能。

圖11 有饋通抑制的掃頻測(cè)試Fig.11 Frequency sweep test with feedthrough cancellation

在饋通抑制調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于C/V轉(zhuǎn)換的放大倍數(shù)很大，在調(diào)整反相饋通消除電路的增益時(shí)，信號(hào)變化非常敏感，必須注意饋通信號(hào)的變化，以避免過(guò)補(bǔ)償。

4 結(jié) 論

本文以基于MEMS工藝的方形質(zhì)量塊微振動(dòng)陀螺儀為研究對(duì)象，分析了其饋通效應(yīng)，描述了饋通效應(yīng)機(jī)理。通過(guò)對(duì)傳遞函數(shù)、電學(xué)模型和導(dǎo)納圓圖的分析，說(shuō)明了饋通效應(yīng)對(duì)微振動(dòng)陀螺儀測(cè)量和控制的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)合兩路反相饋通取消電路的全差分接口電路結(jié)構(gòu)。該方法避免了使用復(fù)雜的雙器件諧振器結(jié)構(gòu)，大大提高了饋通抑制的效果。同時(shí)，為了驗(yàn)證饋通取消方案的效果，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口電路PCB板，并對(duì)抑制效果進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，該饋通取消方案可將饋通抑制能力提升至25.57dB，與饋通取消前相比，信噪比提高了13.32倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的前饋抵消方法能顯著降低饋通信號(hào)對(duì)陀螺儀信號(hào)檢測(cè)的干擾，有效提高微陀螺儀信號(hào)的檢測(cè)質(zhì)量。