1、Signal Process&System 信号与系统信号与系统传感器世界 2023.05Vol.29 NO.05 Total 33531注：国家自然科学基金资助项目（No.61372016）；北京市教育委员会科技计划重点项目（No.KZ201711232030）；传感器北京市重点实验室开放课题基金资助项目（No.20220GKF002）摘要：MEMS 陀螺在导航、控制、测量等领域的应用越来越广泛，而激励信号的选取直接影响着陀螺的检测灵敏度。文章首先通过理论分析了陀螺的结构特性，确定了影响信号检测灵敏度因素；然后对陀螺信号处理电路中的激励信号部分进行实验研究；最终选取了适合该陀螺的激励信号。为
2、使无驱动 MEMS 陀螺具有较高的灵敏度，实验研究了不同幅值、频率和波形种类的激励信号对其产生的影响，为选取合适的激励信号提供了依据。实验结果表明：选择幅值为 5 V、频率为 139 kHz、占空比为 80%左右的方波激励信号为最佳方案，能够有效地提高无驱动 MEMS 陀螺的输出灵敏度。关键词：无驱动；激励信号；灵敏度；MEMS 陀螺中图分类号：TP203.3 文献标志码：A 文章编号：1006-883X(2023)05-0031-05收稿日期：2023-04-15 DOI:10.16204/j.sw.issn.1006-883X.2023.05.006Influence of Excitat
3、ion Signal on Output Sensitivity of Driverless MEMS GyroscopeXU Cong1,ZHANG Wei1,GUO Zilong2(1.School of Instrument Science and Optoelectronic Engineering,Beijing University of Information Technology,Beijing 100101,China;2.School of Optoelectronic Engineering,Xian University of Technology,Xian 71002
4、1,China)Abstract:The increasingly widespread application of MEMS gyroscopes in fields such as navigation,control,and measurement,the selection of excitation signals directly affects the detection sensitivity of gyroscopes.The article first analyzes the structural characteristics of the gyroscope thr
5、ough theoretical analysis,and determines the factors that affect the sensitivity of signal detection;Then,experimental research was conducted on the excitation signal part of the gyroscope signal processing circuit,and the excitation signal suitable for the gyroscope was ultimately selected.In order
6、 to improve the sensitivity of the driverless MEMS gyroscope,the effects of excitation signals with different amplitudes,frequencies,and waveform types on its generation were experimentally studied,providing a basis for selecting appropriate excitation signals.The experimental results show that sele
7、cting a square wave excitation signal with an amplitude of 5 V,a frequency of 139 kHz,and a duty cycle of about 80%is the optimal solution,which can effectively improve the output sensitivity of the driverless MEMS gyroscope.Key words:driverless;excitation signal;sensitivity;MEMS gyroscope激励信号对无驱动 M
8、EMS 陀螺输出灵敏度的影响激励信号对无驱动 MEMS 陀螺输出灵敏度的影响徐聪1 张伟1 郭子龙2 1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100101；2.西安工业大学光电工程学院，陕西西安 710021 0 前言随着科技智能技术的不断发展，作为其关键技术之一的微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）传感器也进入到了快速发展阶段，加之人们对自动化领域技术需求的上升，性能好和小型化的 MEMS 产品由此占据市场领先地位，MEMS 陀螺得以迅速发展1-2。由于无驱动 MEMS 陀螺自身没有驱动结构，是利用旋转载体的自旋获得角动量，所以相
9、比其他陀螺仪具有结构简单、体积较小、可靠性强、成本低、易批量生产等优势。因此，在消费电子、航空航天、机器人、高精度导弹等军事和民用领域得到了广泛的应用。激励信号的选取对于陀螺的检测灵敏度有着直接的影响，并且在整个陀螺电路中具有重要的作用3。实验研究了不同电压、波形及频率的激励信号对陀螺输出灵敏度的影响，为无驱动 MEMS 陀螺仪选用合适信号与系统信号与系统 Signal Process&System传感器世界 2023.05Vol.29 NO.05 Total 33532的激励信号以获取高灵敏度提供了依据4-5。1 陀螺的结构及检测原理图 1 为无驱动 MEMS 陀螺的结构原理图。陀螺主要由上
10、下两侧镀有 2 个钯银电极的陶瓷片和中间有刻蚀阻尼孔的敏感质量块组成。利用旋转载体自身角速度作为驱动力，坐标系OXYZ固定在敏感质量块上面，上下陶瓷片和敏感质量块之间留有振动间隙，其间充有氮气，与之形成 4 个电容器。通过对坐标的变换、欧拉力学方程分析，得出陀螺的敏感结构力学方程为：（1）其中，JX、JY、JZ分别为敏感质量块在 OX、OY、OZ轴上的转动惯量；KT为陀螺的扭转刚度系数；D 为气体的阻尼系数；为敏感质量块绕着 OY 轴摆动的角速度；为载体自旋时产生的角速度；为载体做俯仰或偏航运动时的角速度6。可以推导出敏感质量块角振动幅度为：（2）由公式（2）可以看出，通过角振动幅值 m可检测
11、载体的角速度，角振动频率可检测载体的转速。无驱动 MEMS 陀螺是一种不需要驱动结构的陀螺，它能够通过载体自身的角速度引起敏感结构的摆动。当载体受横向角速度 影响进行偏转时，敏感质量块摆片摆动导致摆片和电极板之间的距离产生变化，进而摆片与电极组成的 4 组电容（C1,C2,C3,C4）发生相应变化7-8。电容敏感检测方式图如图 2 所示。图 3 为电容电桥检测图。Um是输入信号，接在桥式电路中。当待测电容发生变化时，交流电桥输出为与激励信号频率相同的调幅信号，对信号进一步处理，可得到与待测电容成比例的电压信号。（1）在电容充电过程中，二极管反相截止，对待测电容进行充电，有：（3）（4）其中，时
12、间常数 1=R2Cn，2=R1Cm，电容 C1和 C4并联，电极陶瓷片X弹性扭转梁敏感质量块ZY()()()tXYZTXZYJJJKJJDJcos2-+=+-+()()()DKJJJJJJTXYZXYZm222+-+=CmCnC1C2C3C4C1C2D1D2R2R1C3C4UmU1U2|-=nCRtmeUU211|-=-mCRtmeUU112 Signal Process&System 信号与系统信号与系统传感器世界 2023.05Vol.29 NO.05 Total 33533形成电容 Cm，C2和 C3并联，形成电容 Cn，Cm和 Cn就构成了一对差动电容。（2）在电容放电过程中，由于二极
13、管被正向偏置，其处于导通状态，同时电阻很小，这使得待测电容上的电荷可以瞬间地被放电，此时 U1=U2=0。则，在输入信号的一个周期内，桥路 a 点处的输出电压的平均值为：（5）出于对陀螺敏感元件结构的考虑，设 Cn=C0-C，Cm=C0+C，其中，C0是敏感质量块在平衡位置时所处的 m、n 点电容；C 是敏感质量块振动时电容的改变量。鉴于振动摆角相对间隙很小，因此，C 远小于平衡时的电容值 C0，由式（5）可得：（6）同理，（7）令 R1=R2=R，则有：（8）其中，令 ，由于参数是由电路选定，因此 K 是固定值，通常可以被视为常数，则有：（9）公式（9）说明，小信号检测电路输出电压随着电容变
14、化量的增加而相应变化，二者呈正比关系。此外，小信号的检测灵敏度表示为：（10）通过上述分析可知，充电时间常数决定了信号频率的选择，为提高小信号检测灵敏度，需增大电桥两端输出电压均值的差值，对于选用方波激励来说，增大充电曲线下的面积，即增大方波信号的占空比，可以提高电桥两端输出均值之间的差值。2 不同激励信号对无驱动 MEMS 陀螺灵敏度影响的实验研究2.1 无驱动 MEMS 陀螺传感器灵敏度的定义实验采用 Agilent81150A 信号发生器作为激励源，产生具有不同幅值和频率的方波和正弦波信号，施加于陀螺的输入端，用于激励由陀螺组成的电容桥式电路。陀螺的输入信号通过电容电桥输出与激励信号相同
15、的调幅信号，通过差分放大电路进行放大，经滤波电路保留有用信号，随后经过相位补偿和进一步的信号放大，最终输出模拟信号给示波器。利用AgilentMSO7032A 示波器的 X1 通道可以实时地显示陀螺电路的输出波形。图 4 为无驱动 MEMS 陀螺检测原理框图。图 5 为信号发生器和示波器与测试平台连接实测图。|-=1111111100TmTTtataaeTTUdUTdUTU()|-=-02110211CRTmeCCRTTUU()|-+-=-01110112CRTmeCCRTTUU CeTRUUUURCTm|-=-01122112|-=-0112RCTmeTRUK CKU=12 CUKab=电容
16、电桥差分放大电路滤波电路相位补偿放大激励信号输出信号信号与系统信号与系统 Signal Process&System传感器世界 2023.05Vol.29 NO.05 Total 335342.2 激励信号频率对灵敏度的影响将幅值固定，把不同频率和波形的激励信号施加在电容电桥的输入端（Um），这时的输入电压幅值不变。当幅值为 0 5 V，而频率不同的正弦波、方波分别施加到陀螺传感器输入端时，实验测出陀螺灵敏度与激励信号频率关系，如图 6 所示。Agilent81150A 信号发生器输出方波信号的频率范围为 0 500 kHz，正弦波信号频率范围为 0 1 MHz。由图 6 可知，陀螺在方波激励信号下，灵敏度随频率先增大而后减小，且在频率为 225 kHz 时灵敏度为最大；在正弦波激励信号下，随着频率的增加，灵敏度先迅速上升，然后减小，最后趋于饱和，当频率达到 225 kHz 时，灵敏度达到最大值。通过灵敏度与激励信号频率关系可以得出，在 0 500 kHz 频率范围内，使用方波激励信号，灵敏度最大，其次才是正弦波激励信号。由此可以得出，在相同频率的情况下，方波激励信号可以获得更高的灵敏