Z轴硅微机械陀螺仪的机电接口模型分析

　　0 引 言

　　新型硅微机械陀螺仪发展于 20 世纪 80 年代中期，由于它具有尺寸小、重量轻、低成本和适宜大批量生产等特点而成为一个倍受关注的领域和研发热点[1][2]。其缺点是相对误差增大，输出的信号微弱，信噪比低，所以目前的硅微机械陀螺仪产品主要是中低精度[3]。

　　某 Z 轴硅微机械陀螺仪结构简图如图 1 所示，它采用梳齿电容驱动-梳齿电容敏感的方式，通过检测敏感电容的变化量以测得输入角速率。由于陀螺仪微小的结构使得陀螺仪结构中的电容很小，一般达pF 级，而敏感电容的变化量更小，达 10-18F，乃至更小。然而硅微机械陀螺仪的结构与接口电路中除了存在驱动电容和敏感电容等有用电容外，还存在其它各种寄生电容和电阻，往往这些电容值大于或远大于敏感电容的变化量，它们对检测结果有很大的影响，有时甚至会“淹没”有用信号，所以这对电路具有极大的挑战性。为了减小或消除陀螺仪机电接口中的寄生电容和电阻对检测结果的影响，本文以 Z 轴硅微陀螺仪的理论模型为对象，建立了陀螺仪的机电接口模型，并分析了寄生电容和电阻对输出的影响，最后提出几种方法，从而在结构设计中尽量减小寄生电容和电阻以减小它们对输出的影响。

　　1 机电接口模型的建立

　　Z 轴硅微机械陀螺仪工作时，在驱动的固定梳齿上施加带直流偏置的交流电压，两边的交流电压相位相反 ( )d dc ac dV = V ± V sinωt，产生 X 方向的驱动力，当输入 Z 轴角速率时，内框架在哥氏力的作用下，沿 Y 轴振动，从而检测电容发生变化。在上下两组固定敏感梳齿上施加相位相反的载波，构成差动敏感电容，通过检测电路检测电容的变化量，以测得输入角速率。

　　Z 轴硅微机械陀螺仪的结构采用经过浓硼扩散的硅作为材料，它是良导体，所以可将陀螺仪的内外框架(简称质量块)视为电路中的一个节点。实际上机械传感器是一个分布式的 RC 网络，在此 RC 电路中，除了有用电容外，还有寄生电容和电阻。这些电容和电阻会降低传感器的信噪比，影响位置传感器的机电接口的初始设置并引起机电耦合等[4]。图 2 是 Z 轴硅微机械陀螺仪 A-A 处的剖面图。Cd1、Cd2

　　分别为驱动电容，Cs1为敏感电容，Cps、Cpd为电极与衬底间的电容，CpM为质量块与衬底间的电容。在衬底上布金属线，用来施加驱动电压、载波或输出陀螺仪信号，则可将质量块与衬底间的电容分为两部分：质量与导线间的电容 Cpw和质量块与衬底间的电容 CpM。

　　根据图 2 的电容分布情况，建立 Z 轴硅微机械陀螺仪的机电接口模型[4～6]，如图 3 所示。图中 Rpd为驱动电极到驱动电路端口间导线的电阻，Rps为敏感电极到检测电路端口间导线的电阻，Rspring为陀螺仪活动结构的电阻，Rpo为陀螺仪结构的输出端到检测电路端口间导线的电阻。