一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪制造技术

本发明专利技术公开了一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪，由陀螺仪传感器件，闭环驱动电路，开环读出电路和正交偏置自消除闭环组成。其中，闭环驱动电路驱动传感器件沿驱动轴振动，开环读出电路将包含角速度的信号转变成电压信号，并通过解调、滤波、模数转换输出。正交偏置自消除闭环由可调相位解调信号产生电路、解调器、低通滤波器、数模转换器和比较判决电路组成。该闭环由比较判决电路寻找正交偏置输出的极值反馈调节解调信号相位，完成角速度输出信号中正交偏置分量的自动消除。与现有技术相比，本发明专利技术的优点在于在不增加陀螺仪传感器件机械设计复杂度的条件下，仅增加少量电路，实现正交偏置自动消除，有利于节省陀螺仪出厂校准的时间和人力成本。

A micro mechanical gyroscope with orthogonal bias and self cancellation

The present invention discloses a kind of micro mechanical gyroscope with orthogonal bias and self elimination, which is composed of a gyroscope sensor, a closed loop drive circuit, an open loop readout circuit and an orthogonal bias self cancellation loop. The closed loop drive circuit drives the sensor element to vibrate along the drive shaft, and the open loop readout circuit converts the signal containing the angular velocity into a voltage signal. The quadrature bias self cancellation loop is composed of an adjustable phase demodulation signal generating circuit, a demodulator, a low-pass filter, a digital to analog converter and a comparison judgment circuit. The closed loop is used to find the phase of the extremum feedback regulation and demodulation signal of the orthogonal bias output by the comparison judgment circuit, so as to realize the automatic elimination of the orthogonal offset component in the angular velocity output signal. Compared with the prior art, the invention has the advantages of no increase in design complexity of mechanical gyroscope sensor under the condition of only a small increase in circuit, realize the quadrature bias automatically eliminated, save the gyro factory calibration time and manpower cost.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微机械陀螺仪，尤其是一种正交偏置自动消除的微机械陀螺仪。
技术介绍
微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。微机械陀螺仪是一种重要的惯性MEMS器件。典型的微机械陀螺仪由传感器件和接口电路两部分构成，其工作原理是基于哥氏力(CoriolisForce)效应。以谐振式电容型微机械陀螺仪为例，如图1所示，闭环驱动电路先将传感器件的驱动模态(X方向)驱动至谐振状态，当有外界角速度Ωz输入时，在检测模态(Y方向)将会产生大小为2MΩv的哥氏力Fc，此哥氏力会造成Y方向产生频率与X方向相同的调幅位移信号y(t)，从而引起检测极板等效电容C(t)变化，通过检测电路读出C(t)并解调滤波，即可得到反映输入角速度信号Ωz的输出电压信号Vout。当存在解调相位误差时，等效机械正交误差Ωq会泄露到输出端。根据MEMS陀螺仪的工作原理，其动力学方程可表示为其中，m为陀螺仪质量块，x、y分别是X轴和Y轴的位移，x'、y'，x″、y″分别为x、y的一阶和二阶导数，Dx、Dy分别为X轴和Y轴阻尼系数，kx、ky分别为X轴和Y轴弹性系数，Fx为X轴驱动力，Fc为哥氏力，其表达式为其中，Ωz为Z轴方向的输入角速度，m为陀螺仪质量块质量。机械正交误差由X轴耦合至Y轴的弹性系数kyx引起，相应的作用力Fq可表示为Fq＝-kyxx(3)。根据式(2)和(3)，机械正交误差等效的输入角速度Ωq可表示为其中，ωd为驱动轴谐振角频率。由于机械正交误差与角速度输入信号相位是正交的，因此可以通过同步解调有效消除机械正交误差。但是，由于传感器与接口电路均会因为非理性效应引入相移，不可避免的存在解调相位误差。当存在解调相位误差Δθ时，陀螺仪检测端输出可表示为S＝GV/Ω·cosΔθ·Ωz+Bq(5)，其中GV/Ω为陀螺仪标度因子，Bq为正交偏置，可表示为Bq＝GV/Ω·Ωq·sinΔθ(6)，由于MEMS陀螺仪不可避免的存在加工误差，造成机械正交误差等效的输入角速度Ωq可接近或超过陀螺仪量程。假使陀螺仪单边满量程为100°/s，即使相位误差只有10°时，输出正交偏置亦会达满量程的2.8倍，即造成检测通路增益级饱和，陀螺仪工作失效。因此，控制解调相位，消除正交偏置十分重要。现有消除正交偏置的方法主要包括纠偏法、力平衡法和同步解调法。纠偏法是利用静电力方法纠正陀螺仪传感器质量块的轴偏移以消除正交偏置(参见ClarkWA,HoweRT,andHorowitzR.SurfacemicromachinedZ-axisvibratoryrategyroscope[C].Tech.Dig.Solid-StateSensorandActuatorWorkshop,HiltonHeadIsland,SC,USA,Jue.1996:283-287)。力平衡法是通过产生与正交耦合的弹簧回溯力大小相同，方向相反的静电力来达到消除正交偏置的目的(参见C.Jian,G.Zhongyang,Z.Qiancheng,Y.Zhenchuan,H.Yilong,andY.Guizhen,\ForceRebalanceControllerSynthesisforaMicromachinedVibratoryGyroscopeBasedonSensitivityMarginSpecifications,\MicroelectromechanicalSystems,Journalof,vol.20,pp.1382-1394,2011.)。纠偏法和力平衡法的共同缺点是需要在传感器机械设计上额外增加反馈极板，增加机械设计复杂度，而且接口电路需与传感器构成反馈闭环，电路复杂度提高，功耗增大。同步解调法是通过严格控制解调信号相位以消除正交偏置(参见SaukoskiM,AaltonenL,andHalonenKAI.Zero-rateoutputandquadraturecompensationinvibratoryMEMSgyroscopes[J].IEEESensorsJournal,2007,7(12):1639-1652.)，其优点是对传感器机械设计无要求，电路结构简单，功耗低，因此被广泛应用于性能要求不高的电子消费类微机械陀螺仪中。但由于每个陀螺仪制造偏差各不相同，往往需要在出厂的时候对每个陀螺仪进行人工校准，应用同步解调法人工校准每个陀螺仪的解调相位、消除正交偏置的方法存在耗时长、成本高的问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪，以解决目前正交偏置闭环消除的陀螺仪机械、电路设计复杂度高、功耗大，以及正交偏置开环消除的陀螺仪人工校准耗时长、成本高的问题。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪，包括陀螺仪传感器件、闭环驱动电路、开环读出电路和正交偏置自消除闭环，所述的闭环驱动电路与陀螺仪传感器件驱动极板、驱动反馈极板相连接构成闭环，负责传感器件沿驱动轴振动；开环读出电路与陀螺仪传感器件检测极板相连接，读出电路与将包含角速度的信号转变成电压信号，读出电路与解调器相连接，解调器与滤波器相连接，滤波器与模数转换器相连接，电压信号通过解调、滤波、模数转换输出角速度信号；正交偏置自消除闭环是由可调相位解调信号产生电路、解调器、滤波器、数模转换器和比较判决电路组成，其中可调相位解调信号产生电路与解调器相连接，解调器与滤波器相连接，滤波器与数模转换器相连接，数模转换器与比较判决电路相连接，比较判决电路与可调相位解调信号产生电路相连接，从而构成闭环环路，闭环由比较判决电路寻找正交偏置输出的极值(极大值或极小值)来反馈调节解调信号相位，完成角速度输出信号中正交偏置信号的自动消除功能。所述的可调相位解调信号产生电路可以数字逻辑控制方式在0～90°范围进行相位连续调节。所述的比较判决电路可由数字逻辑比较相邻两个周期的正交偏置输出信号，并输出反馈信号。与现有技术相比，本专利技术的优点在于在完全不增加陀螺仪传感器件机械设计复杂度的条件下，仅增加少量的电路，完成陀螺仪正交偏置的自动消除，节省陀螺仪出厂校准的时间和人力成本。附图说明图1为本专利技术涉及的一种电容型谐振式微机械陀螺仪的工作原理示意图，但不仅限于电容型，其他类型谐振式微机械同样适用；图2为本专利技术所述的一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪原理示意图；图3为正交相位与同相位解调示意图；图4为图2闭环驱动电路的一种实现结构，但不仅限于此种结构；图5为图2中可调相位解调信号产生电路的一种实现方式，但不限于此种方式；图6为图2中比较判决电路的一种实现方式，但不限于此种方式。具体实施方式本专利技术的一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪工作原理如图2所示，闭环驱动电路驱动陀螺仪传感器件沿驱动轴振动；读出电路负责读出包含角速度的信号，经解调器正交解调并经滤波、模数转换输出角速度信号；正交偏置自消除闭环由比较判决电路、可调相位解调信号产生电路、解调器(同相解调)、低通滤波器和数模转换器构成，工作原理为在无角速度输入情况下，由比较判决电路寻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪，其特征在于，包括陀螺仪传感器件、闭环驱动电路、开环读出电路和正交偏置自消除闭环，所述的闭环驱动电路与陀螺仪传感器件驱动极板、驱动反馈极板相连接构成闭环，负责传感器件沿驱动轴振动；开环读出电路与陀螺仪传感器件检测极板相连接，读出电路与将包含角速度的信号转变成电压信号，读出电路与解调器相连接，解调器与滤波器相连接，滤波器与模数转换器相连接，电压信号通过解调、滤波、模数转换输出角速度信号；正交偏置自消除闭环是由可调相位解调信号产生电路、解调器、滤波器、数模转换器和比较判决电路组成，可调相位解调信号产生电路与解调器相连接，解调器与滤波器相连接，滤波器与数模转换器相连接，数模转换器与比较判决电路相连接，比较判决电路与可调相位解调信号产生电路相连接，从而构成闭环环路，闭环由比较判决电路寻找正交偏置输出的极值（极大值或极小值）来反馈调节解调信号相位，完成角速度输出信号中正交偏置信号的自动消除功能。

【技术特征摘要】
1.一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪，其特征在于，包括陀螺仪传感器件、闭环驱动电路、开环读出电路和正交偏置自消除闭环，所述的闭环驱动电路与陀螺仪传感器件驱动极板、驱动反馈极板相连接构成闭环，负责传感器件沿驱动轴振动；开环读出电路与陀螺仪传感器件检测极板相连接，读出电路与将包含角速度的信号转变成电压信号，读出电路与解调器相连接，解调器与滤波器相连接，滤波器与模数转换器相连接，电压信号通过解调、滤波、模数转换输出角速度信号；正交偏置自消除闭环是由可调相位解调信号产生电路、解调器、滤波器、数模转换器和比较判决电路组成，可调相位解调信号产生电路与解调器相连接，解调器与滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴焕铭，杨海钢，尹韬，
申请(专利权)人：宁波大学，中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33