[发明专利]一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路

说明书

本发明公开了一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路，特点是：由陀螺仪传感器件、读出电路、比较器、锁相环、幅度调节电路与开关2构成闭环，负责驱动陀螺仪传感器件沿驱动轴振荡；幅度提取电路、幅度调节电路与读出电路、陀螺仪传感器件构成闭环，负责控制陀螺仪传感器件振荡幅度恒定；激励电路负责激励陀螺仪传感器件振荡，频率测量电路负责读出振荡信号频率值，电压预置电路负责将频率值转换成预置电压信号，并施加到锁相环中的压控振荡器上，预置压控振荡器的起振频率。本发明的闭环驱动电路的优点是：通过预置压控振荡器起振频率，利用锁相环的窄带滤波及频率追踪功能，有效避免电学振荡发生，并可用常压集成电路工艺实现。

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺仪的闭环驱动电路，尤其是一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路。

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。

由于微机械陀螺仪传感器件加工工艺的精度有限，传感器件驱动方向上的驱动极板与驱动反馈极板间不可避免的会存在一个寄生电容，称之为寄生跨接电容，如图2所示。由于寄生跨接电容的存在，导致驱动信号可以直接通过此电容耦合至驱动反馈端，并带来诸多负面效应。主要的负面效应包括阻止“电学-机械”振荡的发生以及引发“电学振荡”。如图3所示，“电学-机械”振荡是指闭环驱动电路与驱动极板等效电容C_d与驱动反馈极板等效电容C_s形成的振荡，一般由陀螺仪驱动轴谐振频率决定，在几千赫兹(kHz)至几十千赫兹(kHz)范围内，是期望发生的；而“电学振荡”指闭环驱动电路与寄生跨接电容C_f形成的振荡，由闭环驱动电路结构和寄生跨接电容C_f的大小有关，一般在百千赫兹(kHz)以上，是不期望发生的。但是，闭环驱动电路与寄生跨接电容构成的环路满足振荡发生的增益条件与相位条件时，陀螺仪有可能落入电学振荡频率点而无法正常工作，因此，需要想办法避免电学振荡。

寄生跨接电容阻止“电学-机械”振荡发生的原因分析如下。如图3所示，当存在寄生跨接电容C_f时，闭环驱动电路检测的电流为经C_f耦合的电流i_f与微陀螺驱动反馈极板端的电流i_s的叠加。由于i_f和i_s有90度的相位差，若i_f远大于i_s，由于环路中相位条件无法满足，期望的“电学-机械”振荡将不会发生。图3中的振荡器电学模型可以表示为

其中，X为陀螺仪质量块的位移，F_ext为驱动力，m_x为陀螺仪质量块X轴方向重量，ω_x为陀螺仪驱动轴本征角频率，Q为陀螺仪驱动轴品质因子，V_dc和V_b分别为驱动端和驱动反馈端的直流压差，V_dr是驱动电压，C_d为驱动极板等效电容，C_s为驱动反馈极板等效电容，K_F/V²为驱动电压转驱动力转换系数，K_c/x是位移电容转换系数。由式(1)可得振荡器跨导的表达式为