硅微机械陀螺驱动方式研究

许友平 章晓春

【摘 要】硅微机械陀螺因其体积小、质量轻、集成度高、功耗低等优良性能特点，已经在军事及民用领域有着非常广泛的应用。为将角度率转换为电信号，需要驱动硅微机械陀螺的质量块进行振荡，采取的驱动方式不同对整个微机械陀螺系统的性能有着非常重要的影响。本文对硅微机械陀螺的驱动方式的分类、原理和优劣势等进行研究。

【关键词】硅微机械陀螺；驱动方式

中图分类号： V241.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0001-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.001

【Abstract】Silicon Micro-machined Gyroscope（SMG）has been widely used in both military and civilian fields for its advantages such as small size，light weight，high integration and low power consumption.In order to convert the angular rate into electrical signal，the mass of SMG needs to be driven to oscillate.Different driving modes have a very important impact on the performance of the entire SMG system.The classification，principle and advantages and disadvantages of driving methods of SMG are studied in this paper.

【Key words】Silicon micro-machined gyroscope；Driving method

0 引言

微机械陀螺是采用MEMS（Micro Electro-Mechanical System）技术开发的一种角速率传感器，相比传统的陀螺，微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、易集成化等优势，是陀螺发展史的第三代陀螺，近年来在汽车电子、医疗器械、航空航天、智能移动设备等领域有着非常广泛的应用。

微机械陀螺驱动电路是微机械陀螺接口电路的组成部分之一，主要用于驱动微机械陀螺的质量块进行简谐振动。由于驱动电路的性能直接影响微机械陀螺质量块简谐振动的瞬态与稳态特性，如简谐振动的建立时间、建立过程的超调量、简谐振动的振幅稳定性、振动频率相对驱动模态固有频率的跟随性能等因素，这些因素又决定了整个微机械陀螺系统启动过程的品质、工作可靠性、检测角速率的线性度和灵敏度等方面，因此微机械陀螺驱动电路的设计对使用微机械陀螺进行角速率检测具有非常重要的意义，本文在研究国内外相关技术的基础上，介绍几种典型的微机械陀螺驱动电路设计，并对其优势和劣势进行总结。

1 硅微机械陀螺介绍

硅微机械陀螺采用与现代集成电路相同的硅晶圆加工技术进行制造，可以很好地与接口电路进行单片集成。常见的高精度、低功耗的硅微机械陀螺为差分电容式结构，如图1所示。方向为微机械陀螺的驱动方向，在该方向上质量块由带直流偏置的交流电压（即驱动电压）驱动振动，方向为微机械陀螺的检测方向，由于Coriolis力的作用使得质量块在检测方向也会产生振动，通过检测该方向振动引起的差分电容的变化可以最终确定输入角速率的大小。

微机械陀螺驱动电路即为产生上述驱动电压的电路，根据产生驱动电压的方式，驱动电路分为开环驱动电路和闭环驱动电路两种类型，开环驱动电路通过波形发生器产生驱动电压的交流部分，而闭环驱动电路则通过自动增益控制器直接放大环境噪声中等于陀螺驱动模态固有频率的信号，将其作为驱动电压的交流部分，驱动质量块的振动幅度不断扩大，直至系统进入稳定工作状态，闭环驱动电路不需要外界提供驱动电压的交流部分，也称为自激驱动。

如图1所示，微机械陀螺驱动方向包括两组电极：第1组为驱动电极，用于施加驱动电压为质量块提供静电驱动力；第2组为驱动方向敏感电极，用于检测微机械陀螺在驱动方向的振动速度，并提供给驱动电路，以实现闭环驱动。

微机械陀螺的灵敏度与质量块在驱动方向的振动幅度有关，为了获取较高的灵敏度，需要使得质量块在驱动方向的振动幅度尽可能地大，而质量块振动幅度又取决于驱动电压的直流偏置和频率，在已指定直流偏置电压大小的情况下，当驱动电压的频率等于微机械陀螺驱动模态的固有頻率时，质量块的稳定振动幅度最大[1]，因此不论采用开环驱动还是闭环驱动，都尽可能让质量块在微机械陀螺驱动模块固有频率下进行谐振，以提高系统灵敏度。

2 开环驱动

采用开环驱动需要预先在实验中测量微机械陀螺驱动模态的固有频率，然后通过波形发生器产生与固有频率相等的交流信号[2]，由图 1可见，驱动电极共有两对电极，因此需要基于该交流信号，通过反相电路产生另一个频率相同、相位相差180°的交流信号，两个交流信号分别与指定大小的直流偏置电压进行叠加，形成最终的驱动电压分别施加在图 1的两对驱动电极上。硅微机械陀螺开环驱动的原理如图 2所示。

通常微机械陀螺的驱动模态固有频率在几百Hz到几千Hz之间，驱动电压的交流信号往往选择使用正弦信号，能够产生该频率范围正弦信号的电路有LC振荡器、RC振动器以及晶体振荡器等，由于常规集成电路中电感实现比较困难，而RC振荡器电路相对比较简单，因此一般采用RC振荡器作为图 2中的交流信号发生器。

开环驱动电路的结构比较简单，不需要检测质量块在驱动方向上的振动幅度并形成闭环控制，但是这种驱动方式要求在电路设计前需要知道陀螺驱动模态的固有频率，虽然可以根据微机械陀螺结构设计的理论值确定固有频率的理论值，但由于实际制作出来的结构难免与结构设计理论值存在偏差，因此采用开环驱动往往需要开展一些测量工作以确定陀螺的实际固有频率。此外，由于实际使用中微机械陀螺驱动模态的固有频率会随着环境温度、压力等因素的变化而变化，并且陀螺个体固有频率的差异随机性也比较大，因此开环驱动电路的实用性相对较差。

3 闭环驱动

为了实现对驱动电压的闭环控制，硅微机械陀螺除具备一组驱动电极以外，还需要设置一组驱动方向敏感电极，如图1所示。在驱动方向敏感电极上施加直流电压，当质量块在驱动方向上有位移变化时即会产生敏感电流，敏感电流的频率与质量块振动频率相等，幅值由质量块的振动幅度决定，与质量块振动的相位差由振动频率与驅动模态固有频率的差异决定，当振动频率等于固有频率时，相位差为零，因此闭环驱动电路通常只需对幅值进行放大，不需作移相处理，而且随着驱动电压幅值的逐渐增大，放大增益会逐渐减小，直到质量块的振动幅度达到期望值后进入稳定状态，即通过可变增益放大器实现对振动幅度的控制，闭环驱动的原理如图3所示。

闭环驱动电路相当于一个窄带通滤波器，环境噪声中频率等于陀螺驱动模态固有频率的信号能够通过这个滤波器，其余频率的信号都被大幅度衰减，因此这种驱动电路产生的驱动电压频率能够跟随由于温度等原因引起的陀螺驱动模态固有频率变化，然而，由于其他频率的信号不可能完全被衰减，因此驱动电压频率与陀螺驱动模态固有频率还是存在一定的偏差，且频率抖动也较大。此外，这种电路是从环境噪声中提取有用信号，信号需在电路和陀螺结构组成的系统中反复多个来回才能达到稳定，因此建立时间较长。为了克服以上缺点，可以在闭环电路中增加PLL（PhaseLockLoop，锁相环）回路，形成基于锁相环的自激驱动电路[3]。

基于锁相环的自激驱动电路原理图如图4所示，锁相环由鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器和压控振荡器组成，鉴频鉴相器检测输入信号Vin和反馈信号Vout之间的频率差和相位差，产生相应的电压信号Vup、Vdown来控制其后的电荷泵的工作状态，电荷泵产生的电压经低通滤波器滤波后，输出直流电平Vcont作为压控振荡器的控制电压，调节Vout的频率和相位逐渐靠近Vin的频率和相位，直到两者同频同相，即锁相环进入锁定状态。锁相环相当于一个单点滤波器，具有较好的频率跟踪功能，可以显著降低驱动电压频率与陀螺驱动模态固有频率的偏差，减小频率抖动，并且能够缩短系统的建立时间。

4 总结

本文研究了硅微机械陀螺开环驱动与闭环驱动的原理，分析了为改善微机械陀螺的灵敏度、线性度、建立时间等特性，在设计微机械陀螺驱动电路时可以采取的措施，其中基于锁相环的闭环驱动方式既能够实现对振动幅值的闭环控制，又具备良好的频率跟踪特性和建立时间优势，是保证整个微机械陀螺系统测量品质的较好措施。

【参考文献】

[1]江文宁.基于锁相环原理的MEMS硅陀螺闭环驱动电路设计.哈尔滨工业大学，2015.

[2]赵辛娟.电容式微机械陀螺外围接口电路的设计与测试.中北大学，2012.

[3]杨亮.硅微机械陀螺数字化测控电路技术研究.南京理工大学，2013.