硅微陀螺仪接口位移噪声对检测性能的影响

　　引　　言

　　硅微陀螺仪是一种重要的MEMS惯性传感器,应用前景广泛。硅微陀螺仪常用电容检测方式来测量位移变化,但是由于微陀螺质量较轻、振动速度较 低,由哥氏效应引起位移变化非常微小,最小测量位移在10-12m,导致检测电容变化量在10-19F,电容相对变化量ΔC/C为10-8,输出敏感电压 在μV甚至nV量级,而周围环境的寄生电容在几百个fF到几个pF之间,且寄生电容网络结构复杂,会引入各种干扰信号进入信道中,因此硅微陀螺仪输出信号 非常容易受到各种噪声和干扰的影响[1-2]。

　　影响硅微陀螺仪输出信号的噪声和干扰较多,基本可以分为两类:第一类噪声和干扰具有特定的频率,如来自驱动电压或反馈电压的耦合干扰(与敏感的 哥氏信号频率相同)、由于结构加工误差导致的正交干扰(与敏感的哥氏信号频率相同,相位相差90°)和失调干扰(与敏感的哥氏信号频率相同,相位相同或相 反)、50 Hz电源干扰等等,已有较多文献对这类噪声进行深入研究且提出诸多解决方法[3-4];第二类噪声和干扰不具有特定的频率,如通过寄生电容网络耦合的白噪 声、接口运算放大器的电压噪声和电流噪声、电阻噪声及1/f噪声、kT/C噪声等等,这类噪声和干扰具有很宽的频谱特性,决定了陀螺输出信号最终精度,统 称为接口电路噪声。

　　为了分析的方便,一般将接口电路噪声等效为位移,称为位移噪声。现存的文献中也有较多研究这类噪声的文章,但都只局限于其对接口输出电压的影响[1,5-7]。文中主要从系统角度分析在开环情况和闭环力反馈情况下位移噪声对最终输出的性能影响。

　　1　基于调制解调的检测信号提取原理

　　为了消除来自驱动电压或反馈电压的同频耦合干扰以及低频噪声,硅微陀螺信号检测常采用调制解调技术,如图1所示。图中Ω(t)为输入的角速 度,Ax为驱动幅度,ωd为驱动信号频率,Kint为接口电路的放大增益,Ucarsinωcart、Udemsinωcart为调制载波和解调载 波,Fcar(s)为载波解调后的低通滤波器的传递函数,Kac为交流增益,FCor(s)为哥氏信号解调后低通滤波器的传递函数,ny(t)为接口电路 等效位移噪声。则

　　2　位移噪声对开环检测的影响

　　接口电路位于整个检测系统的最前端,因此其噪声对输出信号影响最大,而后级电路噪声相对较小,一般可以忽略。图2为调制解调对噪声的抑制示意 图,由图2(a)可知,由接口电路输出的有用信号被二次调制,因此通过滤波器可以滤除接口电路低频段噪声和耦合的驱动信号噪声,接口电路的噪声只有在 ωcar周围一定带宽内噪声进入到哥氏信号中,如图2(b)所示。一般情况下,载波频率较高,在几百kHz～几MHz间,且ωcar ωd,在载波频率附近频段内接口电路噪声可以近似为带限白噪声,如图2(a)中虚线所示。当图2(b)的哥氏信号被进一步滤波和解调后,只有更少的接口电 路残余噪声进入到最终输出信号中,如图2(c)所示。因此,最后只有在高频ωcar-ωd和ωcar+ωd周围很窄的一个带宽内的接口电路噪声进入有用信 号的带宽内。所以,最终输出有效噪声可以等效为高斯窄带噪声,将该噪声等效到陀螺位移输出端,得到窄带位移噪声ny(t)[8]。