真空封装的硅微陀螺仪

　　硅微陀螺仪是一种重要的MEMS惯性传感器,应用前景十分广泛.在一个标准大气压下,受空气阻尼影响,陀螺仪驱动模态和检测模态品质因数低,敏感信号微弱,敏感的典型电容变化量在0. 1aF,而周围寄生电容和噪声都远远大于所要检测的信号[1 2];较低的驱动模态品质因数会影响闭环驱动的频率和幅度稳定性,限制了陀螺仪性能的提高[3 5].抽真空降低空气阻尼是提高陀螺仪品质因数和输出信号灵敏度最有效的措施之一,国外公布的中高精度硅微陀螺仪都采用这种措施[6 7].

　　1　真空封装的硅微陀螺仪

　　硅微陀螺仪结构如图1所示.工作原理是:在驱动电极上施加驱动电压,激励内外框一起沿x轴作简谐振动,当有沿z轴方向(垂直纸面)的角速度输入时,哥氏力激励内框沿着y轴作简谐振动,通过敏感电极将这种简谐振动检测出来,并对信号进行处理,得到需要测量的输入角速度信号.其驱动模态和检测模态运动方程为[8]

　　式中,x,y,ωx(y),Qx(y),mx分别为驱动和检测模态的位移、固有频率、品质因数和驱动质量;Fd=fdsinωdt为静电驱动力;Ω为输入角速度.当ωd=ωx=ωy时,x =Asin(ωdt-90°),y =Bsin(ωdt-90°),其中A =fdQx/(mxωx2),B =2AΩQy/(myωy),显然,品质因数越大,敏感位移越大,在相同驱动力作用下,驱动位移也越大,并且闭环驱动中频率和幅度稳定性越好.抽真空可以明显提高陀螺仪品质因数,图2是陀螺仪真空封装,尺寸为15·5mm×6mm.

　　2　闭环自激驱动

　　硅微陀螺仪实现闭环自激驱动,闭环回路需满足2个条件:①回路的相角θ=2nπ(n为整数);②回路的增益必须A >1[9].本文研究的硅微陀螺仪采用了真空封装,工作压强小于100 Pa,驱动模态品质因数大于3 000,采用的闭环驱动方式实现相角和增益条件的解耦;可以对相角和增益分别实现优化控制.闭环自激控制框图如图3所示.图中,Vd为施加在电容上的直流偏置,R为一个大电阻,L和J分别为积分器的零点和极点.“电压比较器”的输出只保留输入的相角信息,输出幅值始终是恒定的.整个闭环系统的增益由上面支路控制,相角由下面支路控制.这2个回路分别实现闭环控制的2个条件,对闭环参数分别进行调整和优化.为了印证整个回路是否真正实现了解耦,对图3的闭环自激控制用Matlab按表1参数仿真.仿真时,在“电压比较器”前面断开回路,直接加一个频率与陀螺驱动模态固有频率相同的交流信号,改变交流信号的延迟相角,这样整个回路只有增益控制起作用,图4是系统稳定后驱动交流信号相角与控制量z(t)关系曲线,可见交流信号相角改变不影响增益回路.图5在某一延迟相角下直流控制量z(t)输出与全闭环回路直流控制量z(t)输出比较,可以看出,直流控制量z(t)的轨迹是相同的,因此相角与增益实现解耦控制.