[实用新型]一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪

说明书

技术领域

本实用新型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。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，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(Coriolis Force)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Ω_z输入时，在检测模态 (Y方向)将会产生大小为2MΩv的哥氏力F_c，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Ω_z的输出电压信号V_out。当存在解调相位误差时，等效机械正交误差Ω_q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，D_x、D_y分别为X轴和Y轴阻尼系数，k_x、k_y分别为X轴和 Y轴弹性系数，F_x为X轴驱动力，F_c为哥氏力，其表达式为

其中，Ω_z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k_yx引起，相应的作用力F_q可表示为

F_q＝-k_yxx(3)。

根据式(2)和(3)，机械正交误差等效的输入角速度Ω_q可表示为

其中，ω_d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＝G_V/Ω·cosΔθ·Ω_z+B_q(5)，

其中G_V/Ω为陀螺仪标度因子，B_q为正交偏置，可表示为

B_q＝G_V/Ω·Ω_q·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Ω_q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。