[发明专利]面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法

说明书

发明公开了一种面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法，属于微机电系统设计领域。该方法通过建立参数之间的关联，给出一套从陀螺精度指标出发，考虑精度，电路噪声，带宽，灵敏度，谐振频率，品质因数，机械噪声，寄生电容，反馈电容，电容分辨率，驱动位移，激励电压等参数，以中心电容为结束的完整设计流程，为硅微机械陀螺的精度设计提供指导方法。本专利通过建立参数之间的关联，克服硅微机械陀螺参数复杂、多样的特点对设计者造成的困扰，完成面向精度的陀螺系统参数设计。

技术领域

本发明涉及一种硅微机械陀螺的设计方法,尤其涉及一种面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法，属于微机电系统设计领域。

背景技术

陀螺是一种用来测量物体旋转角速率的惯性器件，在导航制导、深空探测、平台稳定控制、汽车工业、消费电子等领域具有重要的应用。

精度是评价硅微机械陀螺性能最重要的指标，因此，面向精度的硅微机械陀螺设计方法具有重要意义。然而，硅微机械陀螺驱动模态与敏感模态之间的机械振动相互耦合、电检测信号极其微弱且相互耦合以及存在多个复杂的闭环控制电路，且参数多样，如：精度、系统噪声、系统灵敏度、接口电路噪声、机械噪声、电路增益、电容分辨率、有效品质因数、机械灵敏度、寄生电容、反馈电容、等效电压噪声、等效电流噪声、机械带宽、中心电容、驱动位移、谐振频率、品质因数等，使得面向精度的硅微机械陀螺设计过程尤其复杂且不易实现。目前，已公开的文献报道中还没有面向精度的硅微机械陀螺系统参数设计方法相关研究。

发明内容

为克服硅微机械陀螺参数复杂、多样的特点对设计者造成困扰，本发明提出一种面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法。通过建立参数之间的关联，给出一套从陀螺精度指标出发，考虑精度，电路噪声，带宽，灵敏度，谐振频率，品质因数，机械噪声，寄生电容，反馈电容，电容分辨率，驱动位移，激励电压等参数，以中心电容为结束的完整设计流程，为硅微机械陀螺的精度设计提供指导方法。

本发明提出的面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法流程图是：参考图1。

本发明提出的面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法为：

第一步，根据实际应用需求的陀螺精度BS、带宽BW，确定陀螺谐振频率f_d，通常2kHz<f_d<20kHz，再根据公式(1)计算有效品质因数Q_eff，进一步，根据公式(2)推导得出品质因数Q_s，此时Q_s为陀螺系统设计需要的最小品质因数；再通过表达式(3)获得机械噪声MNEΩ，其中，X为驱动模态振动位移且满足表达式(4)，l_s0为梳齿重叠长度，K_B为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，m_s为陀螺振动质量，通常，10^-8kg<m_s<10^-6kg；

第二步，根据应用需求的系统灵敏度SF以及表达式(5)，得到系统噪声V_T；再根据电路增益G，通常100<G<1000，以及表达式(6)得到接口电路电压噪声V_n；进一步，由接口电路阻抗特性表达式(7)得到接口电路电流噪声I_n，其中，R_f为接口电路电荷放大器的反馈电阻，通常，100MΩ≤R_f≤200MΩ，C_f和C_λ分别为接口电路电荷放大器的反馈电阻、寄生电容，通常，1pF≤C_f≤5pF，2pF<C_λ<7pF；