[发明专利]一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方法

权利要求书

1.一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

1)以扫频的方式确定微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率；

2)根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态扫频测试的结果，计算得出微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，具体计算公式如下：

Qx=ωxωx+3-ωx-3Qy=ωyωy+3-ωy-3---(A12);]]>

式(A12)中：Q_x为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；ω_x为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；ω_x-3、ω_x+3为比微机械陀螺仪驱动模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ω_x-3＜ω_x＜ω_x+3；Q_y为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；ω_y为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；ω_y-3、ω_y+3为比微机械陀螺仪检测模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ω_y-3＜ω_y＜ω_y+3；

根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，计算得出微机械陀螺仪的标度因数，具体计算公式如下：

|VOopen(s)Ωz(s)|=|12AxωdVdacKycKpreKsecFLPF1(s)FLPF2(s)(s2+ωyQys+ωy2-ωd2)(s-p1)(s-p2)(s-p3)(s-p4)|---(A13);]]>

p1=-ωy2Qy+(ωd-ωy24-1Qy2)j,p3=-ωy2Qy+(ωd+ωy24-1Qy2)j]]>

p2=-ωy2Qy-(ωd-ωy24-1Qy2)j,p4=-ωy2Qy-(ωd+ωy24-1Qy2)j]]>

式(A13)中：V_Oopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ω_z为微机械陀螺仪的输入角速率；A_x为驱动轴向结构的运动幅度；ω_d为驱动模态驱动力的角频率；V_dac为驱动模态激励信号的幅度；K_yc为检测位移提取结构的转换系数；K_pre为前级放大接口的增益倍数；K_sec为次级放大器的增益倍数；F_LPF1为第一低通滤波器的增益；F_LPF2为第二低通滤波器的增益；ω_y为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Q_y为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；p₁、p₂为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p₃、p₄为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；

通过对式(A13)进行化简可得：

|VOopen(s)Ωz(s)|=|KconFLPF1(s)FLPF2(s)(s-z1)(s-z2)(s-p1)(s-p2)(s-p3)(s-p4)|---(A14);]]>

式(A14)中：V_Oopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ω_z为微机械陀螺仪的输入角速率；K_con为0.5A_xω_dV_dacK_ycK_preK_sec；F_LPF1为第一低通滤波器的增益；F_LPF2为第二低通滤波器的增益；z₁、z₂为的解；p₁、p₂为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p₃、p₄为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；

3)在微机械陀螺仪的检测回路中增设偶极子全温跟踪补偿控制器；所述偶极子全温跟踪补偿控制器包括温度补偿环节、零极点发生环节、比例环节；

所述温度补偿环节包括第一运算放大器(T₁)、第一温度补偿电阻(R_f1a)、具有正温度系数的热敏电阻(R_f1b)、第二温度补偿电阻(R_f1c)；

所述零极点发生环节包括第二运算放大器(T₂)、第三运算放大器(T₃)、第四运算放大器(T₄)、第五运算放大器(T₅)、第一电容(C_f1)、第二电容(C_f2)、第二电阻(R_f2)、第三电阻(R_f3)、第四电阻(R_f4)、第五电阻(R_f5)、第六电阻(R_f6)、第七电阻(R_f7)、第八电阻(R_f8)、第九电阻(R_f9)、第十电阻(R_f10)；

所述比例环节包括第六运算放大器(T₆)、第十一电阻(R_f11)、第十二电阻(R_f12)；

第一运算放大器(T₁)的正输入端与第一低通滤波器的输出端连接；第二运算放大器(T₂)的正输入端、第三运算放大器(T₃)的正输入端、第四运算放大器(T₄)的正输入端、第五运算放大器(T₅)的正输入端、第六运算放大器(T₆)的正输入端均接地；第六运算放大器(T₆)的输出端与第二低通滤波器的输入端连接；

第一电容(C_f1)的两端分别与第二运算放大器(T₂)的负输入端和输出端连接；第二电容(C_f2)的两端分别与第三运算放大器(T₃)的负输入端和输出端连接；

第一温度补偿电阻(R_f1a)的一端接地，另一端与第一运算放大器(T₁)的负输入端连接；具有正温度系数的热敏电阻(R_f1b)的两端分别与第一运算放大器(T₁)的负输入端和输出端连接；第二温度补偿电阻(R_f1c)的两端分别与第一运算放大器(T₁)的输出端和第二运算放大器(T₂)的负输入端连接；第二电阻(R_f2)的两端分别与第二运算放大器(T₂)的输出端和第三运算放大器(T₃)的负输入端连接；第三电阻(R_f3)的两端分别与第二运算放大器(T₂)的负输入端和第四运算放大器(T₄)的输出端连接；第四电阻(R_f4)的两端分别与第五运算放大器(T₅)的负输入端和输出端连接；第五电阻(R_f5)的两端分别与第一低通滤波器的输出端和第五运算放大器(T₅)的负输入端连接；第六电阻(R_f6)的两端分别与第四运算放大器(T₄)的输出端和第五运算放大器(T₅)的负输入端连接；第七电阻(R_f7)的两端分别与第四运算放大器(T₄)的负输入端和输出端连接；第八电阻(R_f8)的两端分别与第一低通滤波器的输出端和第四运算放大器(T₄)的负输入端连接；第九电阻(R_f9)的两端分别与第三运算放大器(T₃)的输出端和第四运算放大器(T₄)的负输入端连接；第十电阻(R_f10)的两端分别与第五运算放大器(T₅)的输出端和第三运算放大器(T₃)的负输入端连接；第十一电阻(R_f11)的两端分别与第四运算放大器(T₄)的输出端和第六运算放大器(T₆)的负输入端连接；第十二电阻(R_f12)的两端分别与第六运算放大器(T₆)的负输入端和输出端连接；

设偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数为：

FFn(s)=Kdcc(s-zdcc1)(s-zdcc2)(s-pdcc1)(s-pdcc2)---(A15);]]>

式(A15)中：F_Fn为偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数；K_dcc为偶极子全温跟踪补偿控制器的增益；偶极子全温跟踪补偿控制器的增益由比例环节产生；z_dcc1、z_dcc2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点；p_dcc1、p_dcc2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点；偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点和极点由零极点发生环节产生；

增设偶极子全温跟踪补偿控制器后，微机械陀螺仪的标度因数变为式(A14)和式(A15)的乘积：

|VOopen(s)Ωz(s)|=|KconFLPF1(s)FLPF2(s)(s-z1)(s-z2)(s-p1)(s-p2)(s-p3)(s-p4)Kdcc(s-zdcc1)(s-zdcc2)(s-pdcc1)(s-pdcc2)|---(A16);]]>

式(A16)中：V_Oopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ω_z为微机械陀螺仪的输入角速率；K_con为0.5A_xω_dV_dacK_ycK_preK_sec；F_LPF1为第一低通滤波器的增益；F_LPF2为第二低通滤波器的增益；z₁、z₂为的解；K_dcc为偶极子全温跟踪补偿控制器的增益；z_dcc1、z_dcc2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点；p₁、p₂为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p₃、p₄为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；

设计偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点，使得偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点与微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点组成偶极子：

p2=zdcc1p2=zdcc2---(A17);]]>

式(A17)中：p₁、p₂为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；z_dcc1、z_dcc2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点；

通过对式(A16)进行化简可得：

|VOopen(s)Ωz(s)|=|KconKdccFLPF1(s)FLPF2(s)(s-z1)(s-z2)(s-p3)(s-p4)(s-pdcc1)(s-pdcc2)|---(A18);]]>

式(A18)中：V_Oopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ω_z为微机械陀螺仪的输入角速率；K_con为0.5A_xω_dV_dacK_ycK_preK_sec；K_dcc为偶极子全温跟踪补偿控制器的增益；F_LPF1为第一低通滤波器的增益；F_LPF2为第二低通滤波器的增益；z₁、z₂为的解；p₃、p₄为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；p_dcc1、p_dcc2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点；

根据式(A18)可知，微机械陀螺仪的标度因数不再受微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点的制约，而仅受偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点以及第一低通滤波器的增益和第二低通滤波器的增益的制约，由此使得微机械陀螺仪的带宽不再受微机械陀螺仪的模态频差的制约；

根据偶极子全温跟踪补偿控制器的结构可知，偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数为：

FFn(s)=VfoVfi=Rf12Rf7Rf11Rf8s2+Rf8Rf4Rf5Rf9Rf10Cf2s+Rf8Rf1Rf2Rf9Cf1Cf2s2+Rf4Rf7Rf6Rf9Rf10Cf2s+Rf7Rf2Rf3Rf9Cf1Cf2---(A19);]]>

式(A19)中：F_Fn为偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数；V_fo为控制器输出；V_fi为控制器输入；R_f1为等效电阻，且令R_f1b>>R_f1a，则R_f1a为第一温度补偿电阻的阻值；R_f1b为具有正温度系数的热敏电阻的阻值；R_f1c为第二温度补偿电阻的阻值；R_f2为第二电阻的阻值；R_f3为第三电阻的阻值；R_f4为第四电阻的阻值；R_f5为第五电阻的阻值；R_f6为第六电阻的阻值；R_f7为第七电阻的阻值；R_f8为第八电阻的阻值；R_f9为第九电阻的阻值；R_f10为第十电阻的阻值；R_f11为第十一电阻的阻值；R_f12为第十二电阻的阻值；

将式(A8)和式(A17)代入式(A15)，可得：

FFn(s)=Kdccs2+ωyQys+Δω2s2+2ωFns+ωFn2ωyQy=-(zdcc1+zdcc2)Δω2=zdcc1zdcc22ωFn=-(pdcc1+pdcc2)ωFn2=pdcc1pdcc2---(A20);]]>

式(A20)中：F_Fn为偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数；K_dcc为偶极子全温跟踪补偿控制器的增益；ω_y为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Q_y为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；Δω²为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点的乘积，同时也为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点的乘积；ω_Fn²为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点的乘积；z_dcc1、z_dcc2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点；p_dcc1、p_dcc2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点；

将式(A19)和式(A20)进行结合，可得：

ωyQy=Rf8Rf4Rf5Rf9Rf10Cf2=-(zdcc1+zdcc2)Δω2=Rf8Rf1Rf2Rf9Cf1Cf2=zdcc1zdcc22ωFn=Rf4Rf7Rf6Rf9Rf10Cf2=-(pdcc1+pdcc2)Kdcc=Rf12Rf7Rf11Rf8---(A21);]]>

式(A21)中：ω_y为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Q_y为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；Δω²为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点的乘积，同时也为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点的乘积；ω_Fn²为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点的乘积；K_dcc为偶极子全温跟踪补偿控制器的增益；R_f1为等效电阻，且令R_f1b>>R_f1a，则R_f1a为第一温度补偿电阻的阻值；R_f1b为具有正温度系数的热敏电阻的阻值；R_f1c为第二温度补偿电阻的阻值；R_f2为第二电阻的阻值；R_f3为第三电阻的阻值；R_f4为第四电阻的阻值；R_f5为第五电阻的阻值；R_f6为第六电阻的阻值；R_f7为第七电阻的阻值；R_f8为第八电阻的阻值；R_f9为第九电阻的阻值；R_f10为第十电阻的阻值；R_f11为第十一电阻的阻值；R_f12为第十二电阻的阻值；z_dcc1、z_dcc2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点；p_dcc1、p_dcc2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点；

根据式(A21)可知，当外界温度变化时，具有正温度系数的热敏电阻的阻值发生变化，使得等效电阻发生变化，由此使得偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点发生漂移，从而使得偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点与微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点在外界温度变化时始终组成偶极子；

因此，根据式(A18)可知，微机械陀螺仪的标度因数在外界温度变化时始终不受微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点的制约，而仅受偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点以及第一低通滤波器的增益和第二低通滤波器的增益的制约，由此使得微机械陀螺仪的带宽在外界温度变化时始终不受微机械陀螺仪的模态频差的制约。