双线振动硅微陀螺仪驱动电路.研究与试验

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1、第一章绪论弟一早珀下匕硅微机械陀螺仪是20世纪80年代后期发展起来的一种利用哥氏原理来检测角速度的振动式陀螺仪，是微机电系统(MicroElectromechanicalSystem，简称MEMS)在惯性传感器领域的一个重要研究内容。微机电系统是在微电子技术基础上发展起来，融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术，在微米量级内设计和制造微传感器、微执行器，并将它们与微电子线路、信号处理单元、微电源、通讯，接口单元等高密度集成于一体的，具有一种或几种独立功能的、适于低成本大量生产的微系统llJ。硅微机械陀螺仪作为一种典型的MEMS惯性传感器，同样

2、具备成本低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高以及易于集成等优点。硅微机械陀螺仪这些特点使它与传统陀螺仪相比，除了在军用领域有很大的应用价值之外，更重要的是它具有广泛的民用前景，因此，世界各国都非常重视，纷纷投入巨资加以研究。1．1课题研究目的及意义陀螺仪是一种非常重要的惯性传感器，传统陀螺仪主要有框架式陀螺仪、液浮和气浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪、静电陀螺仪、激光陀螺仪以及光纤陀螺仪等瞳。。传统陀螺仪虽然精度高，但是成本也非常高，体积一般都比较大，冈此，到目前为止，传统陀螺仪主要用于较狭窄的范围内，如军事和航空领域。这主要是因为，在这些领域中，传感器的

3、成本几乎是不需要考虑的。但是，对丁其他许多民用领域来说，尽管都对惯性传感器有所需求，但由于成本，体积等各种原因，应用很少。然而，硅微陀螺仪的出现使这些领域看到了一线曙光，这是基于硅微陀螺仪以下的一些优点旧川1：首先，硅微机械陀螺仪有望实现较低的成本∞’。由于可以采用与半导体技术兼容的加工工艺，在一片3英寸或4英寸的硅片上可以制作成百上千个传感器，当工艺成熟之后，就可以进行大批量生产，且成品率很高，因此可以大人降低器件的成本。而此时，微机械陀螺仪的成本将主要取决于封装、测试以及测控电路的成本，当真正实现机电一体化时，成本还将进一步降低。其次，硅微机械

4、陀螺仪具有体积小、重量轻、功耗低的特点。采用微机械加工技术制造的硅微机械陀螺仪结构非常小，当然重量也很轻，当结构与测控电路高度集成后可以实现更小的体积和重量。美国德雷珀实验室(CharlesStarkDraperLab，简称CSDL)研制的硅微机械陀螺仪机械结构边长小于Imm，芯片重量仅为1．2mgIo】。AD(AnalogDevice)公司生产的单片集成陀螺仪ADXRSl50，其产品尺寸仅为7mm×7mm×3mm，包括机械结构和整个控制电路，供电电压为5V，最大静态供电电流仅为8mA，因此功耗也非常低。再有，硅微机械陀螺仪具有高的可靠性。这是因为

5、，硅微陀螺仪是基于振动原理，结构本身没有高速旋转的转子，而且硅材料在微米尺寸以下具有很好的弹性，因此结构抗冲击能力强，有的甚至可以承受1000009以上的冲击；同时，由于其体积小、重量轻、成本低，可以采用冗余配置方案，从而提高系统的可靠性。最后，硅微机械陀螺仪易于数字化和智能化。硅微机械陀螺仪可以利用谐振做成频率输出的形式，这样就能对输出信号进行全数字处理，消除了冈A／D或帅变换而引入的误差，同时也便于与微处理器结合，实现陀螺的自标定、自检测、自补偿等功能，真正实现智能化。由于具有以上诸多优点，硅微陀螺的应用前景非常广阔，并且开始在各个领域发挥越来

6、越重要的作用。在汽车工业领域，可用于汽车牵引控制系统、行驶稳定系统、汽车防碰撞装置以及安全气囊等；在消费电子领域，可用于计算机输入设备如惯性鼠标、照相(摄像)设备稳定系统、电子游戏机、虚拟现实装置、运动设备等；在工业领域，可用于工业机器人运动控制、重型机器的平台稳东南人学顺l：半位论立定等；在航空以及军事领域，可用于航空电子设备稳定以及灵巧炸弹、制导炮弹、战术武器、动能武器、微小型卫星及微小型机器人等的制导、导航和控制等”一。尽管硅微陀螺仪的发展与应用前景非常好，但目前．相比机械转子陀螺、擞光陀螺等传统的陀螺类型，砘微陀螺的精度相对偏低．这极大的限

7、制了它的应州。因此如何提高硅微陀螺仪的精度水平成为研究的重点和难点。硅微陀螺仪的研究除了机械结构设计和加工_L=艺之外．很重要的一个方面就是硅微陀螺仪的Ⅻ4控技术的研究，它直接影响到硅微陀螺仪的堆终性能指标。国内硅微陀螺仅发展缓慢的原冈之一就是硅微陀螺仪测控技术研究进展较慢，硅微陀螺仪测控技术的研究主要集中在陀螺仪接口电路，驱动电路．信号检测电路以及后续电路等方面。基于碎微陀螺的工作原理．陀螺驱动模态振动的稳定性直接影响到陀螺仪的精度．因此如何使陀螺在驱动方向实现频率和幅度都恒定的振动至芙重要。目前．陀螺驱动控制技术在理论上比较成熟t然而，具体实现

8、时，对并驱动单元电路的要求报高，因此．本文主要是在设计驱动方案的前提Ft对且体的‘H路环节进行了较详细的研究与试验对比，以