1、隧道陀螺测试电路设计摘要微机械陀螺仪和传统陀螺仪相比具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的应用前景。但随着微机械陀螺仪外表尺寸的缩小，传统的电容检测技术大大影响了器件的检测灵敏度和分辨率，所以针对这些问题提出了新型隧道式微机械陀螺的设计方案。本文针对微机械隧道陀螺仪的测试电路进行设计，主要包括驱动和检测两个部分：1驱动电路：设计了微机械隧道陀螺仪的开环驱动电路。驱动电路是维持陀螺的可动质量块沿驱动方向以一定的频率作恒幅简谐振动，通过实验分析证明该方法可以驱动陀螺。2检测电路：设计了微机械隧道陀螺仪的检测电路。检测部分是检测隧道陀螺产生的隧道电流，并对信号进行处理，得到
2、需要测量的输入角速度信号。关键词：微机械陀螺仪，驱动，检测，隧道电流The design of testing circuit of tunnel-effect micromechanical gyroscopeAbstractCompared with micromechanical gyroscope and traditional gyroscope, micromechanical gyroscope has many advantages such as small size, light weight, low cost, high reliability, and broad p
3、rospects in many areas. However, with the smaller size of micromechanical gyroscope, the traditional capacitance detection technology has affected the devices sensitivity and resolution deeply. Therefore, a new tunnel decline gyroscope has been designed.In this paper, detect circuit of a tunnel-effe
4、ct micromechanical gyroscope will be designed, main included two parts: 1. Drive circuit: it designs a tunnel-effect micromechanical gyroscope open-loop drive circuit. The function of the drive circuit was to maintain that the quality pieces of gyroscope did harmonic vibration along the direction of
5、 the drive with certain frequencies.Through experiments prove that the method can drive gyroscopes.2. Detect circuit: it designs a tunnel-effect micromechanical gyroscope detection circuit. This part detects the tunnel current that come from tunnel-effect micromechanical gyroscope and deals with the
6、 signal, gains the input signal of angular velocity that needs to be detected. Key words: micromechanical gyroscope, drive, detect, tunnel current第 I 页 共 II 页目 录1 绪 论 .11.1 微机械陀螺研究背景 .11.1.1 本课题的研究背景 .21.1.2 国外微陀螺的研究现状 .21.1.3 国内微陀螺的研究现状 .71.2 微机械陀螺电路的研究现状 .101.3 微机械隧道检测的研究目的及意义 .121.4 论文内容 安排 .132
7、微陀螺基础知识 .142.1 微陀螺工作原理 .142.1.1 Coriolis 效应 .142.1.2 微陀螺工作原理 .162.2 微机械陀螺的驱动和检测电路 .172.2.1 静电梳齿驱动 .172.2.2 隧道微陀螺结构输出检测 .183 隧道微机械陀螺的电路设计 .223.1 隧道陀螺开环驱动电路设计 .223.1.1 波形发生器 .233.1.2 缓冲器 .233.1.3 反相器 .243.1.4 信号叠加电路 .253.2 隧道陀螺闭环驱动电路设计 .263.2.1 隧道陀螺闭环驱动电路原理 .273.2.2 锁相环电路设计 .273.3 隧道陀螺检测电路设计 .293.3.1
8、I-V 转换器 .30第 II 页 共 II 页3.3.2 差分、放大电路 .313.3.3 低通滤波电路 .333.3.4 隧道陀螺的反馈电路 .343.3.5 偏置电压与差分电压设计 .353.4 小结 .364 陀螺性能检测电路 .374.1 陀螺驱动电路板调试 .374.2 陀螺检测电路板调试 .394.3 小结 .425 总结 与展望 .43参考文献 .45致 谢 .48附录 A 隧道陀螺驱动与检测电路原理图 .49第 1 页 共 49 页1 绪 论在现代国防技术中，惯性导航、惯性制导、姿态测量和控制是许多军事武器系统装备如卫星、导弹、飞机、坦克、舰艇、自行火炮、鱼雷、炮弹、炸弹、军
9、用机器人的关键技术，而这些核心的技术之一就是陀螺仪。陀螺仪是一种力学传感器，其学科基础是精密机械、运动力学、弹性力学、声学和微电子学等。它可以用来测量载体的角位移和角速度，其中用于测量载体角速度的陀螺仪称为速率陀螺仪或角速度陀螺仪，本质上是一种角速率传感器。陀螺仪是应用军事需求而发展起来的，是现代武器装备中一项支撑技术，在现代高技术战略发展中具有十分重要的作用。近二十年来，随着我国国防事业的发展，惯性技术获得了迅速的发展，因此在惯性导航技术中，需要更高性能的速率陀螺仪作为航行体转角和角速度的检测元件，这对速率陀螺仪的精度、功耗、寿命以及体积提出了更高的要求。此外，在一些应用方面有着传统速率陀螺
10、仪所达不到的性能要求。例如，在空间站中测量角速度。所以，研究开发小体积、小质量、低功耗、高精度、高可靠的新型速率陀螺仪，其意义不仅在于能在某些方面取代传统速率陀螺仪，更重要的是能应用在一些传统速率陀螺仪不能满足要求的场合，对国防事业具有非常重要的意义。另外，在民用方面，例如汽车工业、通信天线稳定系统、机器人、虚拟现实技术及医疗技术等许多领域都需要有小体积、小质量、低成本、能批量生产的角速率陀螺仪，其中的一个重要的方向就是开展对微机械速率陀螺仪的研究。微机械陀螺仪是 80 年代后期发展起来的一种新型陀螺，它具有体积小、重量轻、功耗低、抗过载能力强、能适用于较恶劣的环境条件等优点。因此，微机械陀螺
11、可广泛反应用于汽车牵引控制系统、行驶稳定系统、摄像机稳定系统、计算机的惯性鼠标以及军事领域。目前，世界上许多研究单位、公司都在结合自己国内的加工手段及信号检测措施对微机械陀螺与检测方法展开了研究。1.1 微机械陀螺研究背景微（纳）机电系统发展的目标在于微型化、集成化，探索新原理、新功能的器件和系统，开辟一个新技术领域和产业。它可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平 1-4。由于微（纳）机电系统体积小、重量轻，具有隐蔽和抗过载的性能，在航空、航天、信息、生物医第 2 页 共 49 页学、环境、交通、工业等领域都有着广阔的应用前景。现在
12、各种仪器系统发展体系化、信息化、微小化与智能化的趋势，对信息获取技术与系统提出了微型、灵敏、精巧与高可靠的强烈需求。目前利用微机电（MEMS）工艺研制的微型器件已经成功的应用在多种仪器系统中，在微型、低功耗与高可靠性等方面有很大的提高。但是，微型器件随着器件的微型化，其有效的敏感部件也随之急剧减小，其灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测的极限状态，因而限制了检测精度的进一步提高，难以适用于现代一些仪器发展的需要。这就有待于基于新原理、新效应的新器件来突破微机电器件的极限 4。随着材料研究的深入，一些纳米材料展现出全新的物理性能、物理效应。新一代基于这些新原理、新效应的纳机电器件呼之欲出。当器件
13、的特征尺寸达到纳米量级，各种因为尺度变小而产生的效应（包括量子效应）就会凸现出来，在机电结构中力电耦合更加显著，纳米尺度的力学问题也会体现出新的特征和新的性能。纳机电器件的机理就是在于将这些在纳米尺度的材料结构所展现的新效应新性能应用到机电系统中，进而突破常规器件的性能极限，应用于一些特殊用途的领域。隧道检测电路的研究与设计相应而生。1.1.1 本课题的研究背景隧道陀螺仪的研究与设计是国防重点实验室基金项目，承担人是刘俊，但目前是由李孟委具体负责，本人参与其中电路设计。1.1.2 国外微陀螺的研究现状微机械陀螺仪的研究开始于 20 世纪 80 年。1991 年美国 Charles Stark
14、Draper 实验室研制的双框架结构硅微机械陀螺，其结构如图 1.1 所示。它由内外框架，互相垂直的内外扭转轴及一个敏感质量块组成。外电极通过位于上下方的电容极板加一交变电场产生静电力矩引起外框架绕外参考轴的角振动，当体系存在沿 z 轴的角速度时，哥式力作用于质量块引起其绕内敏感轴的角振动，通过硅片上面的一对电容极板检测出差分电容的变化，即可检测出体系角速度。这种陀螺仪通过静电方式用一组交叉梳状驱动检测质量振动来获得一个大的振幅（10m） ，同时在检测方向上也使用的是电容式检测，在 1Hz 的带宽下的输出噪声为 0.02/s，比例因子的精度好于 0.1%，偏差稳定性为 55/h，并预计可在 6
15、0Hz 下带宽达到 10/s100/s。该陀螺采用复杂的微机械工艺及 IC 技术制成，由于受框架振动幅度限制，输出信号较为微弱，需要高灵敏第 3 页 共 49 页度的信号检测电路。图 1.1 Draper 实验室的角振动陀螺仪韩国三星公司研制出的表面微机械 z 轴振动陀螺仪，驱动和检测都采用的梳状电极，如图 1.2（a） 。它的噪声等效角速度达到了 0.1/s，带宽为 100Hz。为了实现陀螺两个模态的匹配，三星公司对陀螺结构进行了改进，使得两个模态的等效弹性系数相等，同时用高深宽比的体硅工艺代替表面工艺，如图 1.2（b） ，改进后的陀螺仪在50mTorr 下的等效噪声角速度达到了 0.01
16、/s。a 表面工艺的 z 轴陀螺仪 b 对称结构的体硅陀螺图 1.2 三星公司研制的陀螺仪瑞典 IMEGO 研究机构提出了一种可以用于汽车工业的新型硅微蝴蝶形陀螺仪 5，如图 1.3，它采用单边静电激励和电容检测，因两个检测质量反向振动，减小了偏差和对线性和角振动的敏感，获得了极好的线性度。在 50Hz 带宽下，分辨率可以达到 0.1/s。第 4 页 共 49 页图 1.3 硅微蝴蝶形体陀螺（IMEGO）陀螺仪的驱动和检测两个模态的机械耦合问题会严重的影响到陀螺仪的性能，为此德国的 HSGIMIT 报道了一种可以消除两个模态耦合的采用独立弹性梁结构微机械陀螺仪结构,如图 1.4。土耳其中东技术
17、大学的Said Emre Alper等人报道了一种结构对称并具有解耦特性的表面微机械陀螺,如图1.5。该陀螺仪不仅允许驱动和敏感两个模态的驱动和共振频率的匹配来获得较好的分辨率，也能够对两个模态进行解耦来防止因力学耦合产生的不稳定状态。这种陀螺仪在大气环境下的分辨能力为0.37/s。图 1.4 驱动和检测采用独立弹性梁的陀螺仪 图 1.5 中东大学的新型对称结构陀螺仪美国 Michigan 大学于 1994 年首次报道了一种振动环式微机械陀螺仪，其结构如图 1.6，该陀螺结构层由电铸镍构成，中心锚于衬底的可动圆环由 8 个高柔性半圆形辐条支撑，整个圆环接在一个电极上。陀螺采用准 LIGA 工艺
18、制作，并于信号处理电路单片集成，在 25Hz 的带宽下有 0.5/s 的分辨率，零位偏差漂移小于 10/s（40C85C）在 100/s 速率范围内的比例因子非线性小于 0.2%。后来经过工艺改造，采用高深宽比的多晶硅和单晶硅实现，如图 1.7，它的检测精度可以达到 7.2/h。第 5 页 共 49 页图 1.6 振动环式陀螺仪结构图 图 1.7 单晶硅振动环式陀螺仪照片1995 年日本 Murata 提出一种对横向（轴或轴）角速率敏感的表面微机械多晶硅陀螺。如图 1.8 所示，该器件的开环噪声等效速率为 2 。1sHz图 1.8 日本提出的一种微陀螺结构图1996 年，加州大学 Berkel
19、ey 分校报道了一种梳状驱动、梳状电容检测的 Z 轴振动式微机械陀螺结构，如图 1.9 所示。陀螺采用多晶硅表面微机械工艺制作，驱动和检测均采用梳状叉指结构，中间较短的叉指用于驱动，上下两组较长可动叉指与两侧固定叉指构成检测差分电容。通过器件中间的梳状电极静电驱动惯性质量沿 X 轴方向振动，当 Z 轴方向存在输入角速度时，惯性质量受到科氏力作用沿 Y 方向振动，检测可动叉指与两侧固定叉指的差分电容变化，即可感知角速度。该结构的特点是两种振动模态均在 XY 平面内，不涉及平面以外的运动，通过差分电容结构可实现力平衡工作模式，陀螺利用静电调节检测模态谐振频率可以实现两种工作模态谐振频率的匹配，提高
20、灵敏度。利用结构的对称性，通过静电偏压可以有效抑制驱动振动沿检测振动方向分量带来的正交误差。第 6 页 共 49 页图 1.9 梳齿驱动梳状电容检测微机械陀螺（Berkeley）1997 年出现了利用 MEMS 标准表面微机械加工工艺制造的双轴角振动驱动式陀螺仪，见图 1.10。检测质量块被四根与衬底相连的柔性杆支撑并悬浮在衬底上，该柔性杆使结构可以分别沿三个轴向旋转，其中转动盘在正交轴方向对称，因此可以敏感两个轴向的角速度。整个旋转结构的直径为 300 ，厚度为 2 ，结构与衬底间距为 1.6m。其中柔性杆的尺寸设计保证陀螺在三个轴向的共振频率都为 28KHz，在输出噪声m为 0.3/s/ 的开环状态下灵敏度可达到 16 6。同时该陀螺的随机游走系数最低Hz为 10/ ,通过频率匹配，分辨率可以进一步提高到 2/h。h图 1.10 双轴表面微机械陀螺图 1.11 是美国伯克利大学于 2002 年研制的一种共振输出微机械陀螺的工作示意图和 SEM 图片。所谓共振输出是指，陀螺的检测信号（即敏感信号）是陀螺机械结构的振动信息。该陀螺采用多晶硅材料，体积约为 1.2mm1.2mm2.25 。首先检测m质量块沿驱动方向振动，当沿 z 轴方向由角速度输入时，陀螺敏感轴方向就会产生哥式力，哥式力的作用通过杠杠臂放大同时传递到双轴音叉的轴向。由于音叉对于轴向
