一种硅微机械陀螺小信号检测电路的设计

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1、第21卷第4期北京机械工业学院学报Vo.l21No.42006年12月JournalofBeijingInstituteofMachineryDec.2006文章编号:1008-1658(2006)04-0020-06一种硅微机械陀螺小信号检测电路的设计明亮,汪银年,王家光,张福学(北京信息工程学院传感技术研究中心,北京100101)摘要:微弱输出信号的检测是微机械陀螺接口电路设计中的关键技术。针对旋转载体驱动硅微机械陀螺的振动特性,给出了一种适用于微弱电容变化量的小信号检测电路。信号经过差分放大之后,设计了一种适合该陀螺特点的带通滤波器,并对该电路的幅频特性和相频特性进-3行了

2、分析。实验结果表明,该电路能有效敏感电容变化量,陀螺接口电路能检测到10pF量级的电容变化,最小分辨率可以达到0.1b/s。关键词:硅微机械陀螺;差动电容;频率特性中图分类号:TN70文献标识码:ADesignofasignaldetectioncircuitofsiliconmicromachinedgyroscopeMINGLiang,WANGYin-nian,WANGJia-guang,ZANGFu-xue(SensorResearchCenter,BeijingInformationTechnologyInstitute,Beijing100101,China)Abstr

3、act:Akindofweakoutputsignalsdetectioncircuitispresentedformicromachinedgyroscopedriv-enbycarrier.Thiscircuitisbasedonthevibrationcharacteristicsofmicromachinedgyroscope.Byusingdifferentamplifiers,aband-passfilterisdesignedandtheACcharacteristicsofthiscircuitisanalyzed.-3Thefinaltestsshowthatt

4、hiscircuitcansensethecapacitanceabout10pFleve,ltheminimalresolu-tionreaching0.1b/s.Keywords:siliconmicromachinedgyroscope;differentialcapacitance;frequencycharacteristics硅微机械陀螺是基于MEMS(MicroElectroMe-路的幅频特性和相频特性。实验表明:该电路能够-3chanicalSystems)技术的微型惯性器件。它是在硅有效检测10pF量级的电容变化量,通过调整器件芯片上采用集成电路制造中的氧化、光

5、刻、腐蚀等微参数,可以得到了较好的最终输出电压波形、比例系电子加工技术制造而成,具有成本低、体积小、重量数和分辨率。轻、低功耗,和耐高冲击等优点,主要用于汽车、医1硅微机械陀螺的结构和工作原理疗,和精确制导武器等领域。陀螺的输出信号不仅与陀螺机械结构的动力学特性有关,还与陀螺信号利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺[2]接口处理电路有着密切的关系。由于MEMS陀螺的结构原理如图1所示。其机械结构尺寸十分微小,输出信号变化量十分微坐标系OXYZ固定于硅摆上,4个电极和硅质[1]弱,因此需要严格设计信号检测电路。量块之间形成4个电容器,A是质量块绕OY轴摆动微机械陀螺常见的检测

6、方式有电容式和压阻式的角速度,U是载体的自旋转角速度,8是载体的两类。旋转载体驱动硅微机械陀螺属利用哥氏力敏俯仰或偏航角速度。感角速度的振动陀螺,属于电容式硅微机械陀螺。利用坐标变换和欧拉动力学方程可以分析推导本文从分析硅微机械陀螺工作原理和振动方程出陀螺敏感结构的动力学方程为:2出发,针对其微弱电容变化量,设计了一种检测电JyA&+DA+[(Jz-Jx)U+KT]A=路,同时通过PSpice仿真优化器件参数,分析了电(Jz+Jy-Jx)8Ucos(Ut)收稿日期:2006-09-28基金项目:国家自然科学基金项目(60472011);北京市传感器重点实验室项目(530

7、62017)作者简介:明亮(1980-),男,四川巴中人,北京信息工程学院传感技术研究中心硕士研究生,主要从事微电子机械系统及其信号接口电路的研究。第4期明亮等:一种硅微机械陀螺小信号检测电路的设计21示),硅摆距离4个电极板之间的距离和电容值都是相同的,可以表达为d1=d2=d3=d4=d0和C1=C2=C3=C4=C0;当硅摆摆动,产生哥氏力,如图2b所示时,上式可以表达为ds1=ds4=d0-$d,ds2=ds3=d0+$d,Cs1=Cs4=C0+$C,Cs2=Cs3=C0