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一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路.pdf

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一種 PZT MEMS 陀螺儀 及其 前端 電路
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摘要
申請專利號:

CN201510865214.X

申請日:

2015.12.01

公開號:

CN106813656A

公開日:

2017.06.09

當前法律狀態:

公開

有效性:

審中

法律詳情: 公開
IPC分類號: G01C19/5776(2012.01)I 主分類號: G01C19/5776
申請人: 史樹元
發明人: 史樹元
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510865214.X

授權公告號:

法律狀態公告日:

2017.06.09

法律狀態類型:

公開

摘要

一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路,其結構簡單,僅用一個傳感器就可以產生三個軸的角速度信號,體積小巧。另外,該類型的陀螺儀諧振頻率通常也比較高,不存在音頻干擾的問題,方便客戶使用。基于這些特點,PZT型MEMS陀螺儀應用前景廣闊,是未來MEMS陀螺儀發展的一個重要方向。

權利要求書

1.一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路,其特征是:所述陀螺儀的前端電路的第一級將MEMS所產生的電荷信號轉化成電路可以處理的電壓信號,該電壓信號經過第二級電路的運算、放大和平衡處理后再送往第三級電路;第三級電路集高通濾波器和放大功能于一體。2.根據權利要求1所述的一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路,其特征是:所述陀螺儀的前端電路的第一級電路是利用Q=C*V的原理來工作的,假定運放是理想的,并且輸人電容為O,那么來自MEMS的電荷信號通過電容后將在輸出端全部轉換成電壓信號。3.根據權利要求1所述的一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路,其特征是:由于共振模式和檢測模式時電荷的變化相差幾個數量級,C取得太小,容易使運放進人飽和模式而無法正常工作;C取的太大的話,檢測模式時信號會太小,對噪聲要求會很高,所以需要綜合考慮這些因素選擇合適的C值,本發明采用的是幾十個pF的電容;其中的R網路的T型結構來實現一個很大的交流電阻。4.根據權利要求1所述的一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路,其特征是:由于XlO和X20通道上存在差異,Y10和Y20通道上存在差異,第二級電路增加了平衡電路,通過調整平衡電路使得電路在共振模式且沒有角速度信號輸入時,檢測到的角速度信號小到可以忽略的地步。5.根據權利要求1所述的一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路,其特征是:所述第三級電路是高通濾波器,由于信號頻率在幾十KHz的數量級上,我們將高通濾波器的截止頻率設置為7KHz附近,該高通濾波器可以將來自前面電路的低頻噪聲濾除很大一部分,可以降低后續電路對噪聲的要求,降低設計難度。

說明書

一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路

技術領域

本發明涉及一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路,適用于電子領域。

背景技術

從技術上來講,陀螺儀是一個用來測量角速度的器件。早在18世紀,有霧的時候,人們就用旋轉的器件在航海中導航。在19世紀初期發明了更傳統的旋轉陀螺儀,法國科學家萊昂·傅科在1852年創造了陀螺儀這個術語。在19世紀晚期和20世紀初期,陀螺儀專用于船上。大約在1916年,航空中開始使用陀螺儀。今天陀螺儀也仍然廣范應用于航空中。整個20世紀,旋轉陀螺儀有很大的改善。20世紀60年代,利用激光的光學陀螺儀首次產生,然后很快在航空和軍事應用中獲得了商業成功。最近10到15年中,MEMS陀螺儀跟傳統微尺寸的器件相比優勢明顯,被引人大量成功的產品中。

PZT型MEMS陀螺儀采用PZT板作為它的基底,跟普通振動陀螺儀相比,優勢在于用更小的驅動電壓即可產生可讀的輸出。PZT型MEMS陀螺儀在設計上是非常簡單的,它比環形或音叉陀螺儀要簡單很多。PZT型MEMS陀螺儀有一個壓電板,它的長度和寬度遠大于它的深度。板上有引線連接到6邊位于硅晶圓上的腔體的薄膜上。腔體使PZT能自由的振動和變形,引線可提供驅動電壓并測量輸出。像其他MEMS陀螺儀一樣,PZT型MEMS陀螺儀也是基于物體的振動而工作的。在這種情況下,振動物體是一個PZT薄板。這個薄板不像平板或音叉一樣振動,而是厚度會隨時間而振動。將交流驅動電壓垂直施加于板上,利用PZT的電一機械特性來產生振動。理論上可以采用任何壓電材料,但PZT有很高的壓電常數,厚度的變化比較精確。當振動的板以垂直于驅動電壓的軸被轉動時,根據科里奧利力,在第三個垂直方向上有個電壓產生,這個輸出電壓正比于角速度信號。

PZT型MEMS陀螺儀靈活多樣。它能在兩個方向上測量旋轉。另外,如果驅動電壓的方向可以切換,同一個器件可以在三個方向上測量旋轉。其他類型的陀螺儀通常需要三個來測量三個軸上的角速度。盡管靈敏度不是太高,但由于這個器件易于和其他集成電路(Ic)芯片相結合,與其他類型的陀螺儀相比,可以控制它來做更多的事情。

發明內容

本發明提出了一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路,結構簡單,僅用一個傳感器就可以產生三個軸的角速度信號,體積小巧。另外,該類型的陀螺儀諧振頻率通常也比較高,不存在音頻干擾的問題,方便客戶使用。基于這些特點,PZT型MEMS陀螺儀應用前景廣闊,是未來MEMS陀螺儀發展的一個重要方向。

本發明所采用的技術方案是:

所述多軸PZT型MEMS陀螺儀的工作原理:當給X軸加驅動信號時,陀螺儀就會在x軸上振蕩。當驅動信號的頻率跟陀螺儀本身的自諧振頻率近似相等時,驅動信號的幅度很小時即可維持陀螺儀以恒定的幅度振蕩。我們稱此時的狀態為共振模式。x軸上的振蕩,會在Y軸上產生形變。Y軸上的形變會產生電荷,將這些電荷檢測出來,根據科里奧利力原理,我們可以得到z軸上的角速度。基于同樣的道理,當給Z軸加驅動信號并且處于Z軸的共振模式時,檢測由x軸形變所產生的電荷,根據科里奧利力原理,我們可以得到Y軸上的角速度。在Z共振的情況下,檢測由Y軸的形變所產生的電荷,根據科里奧利力原理,我們可以得到X軸上的角速度。

所述陀螺儀的前端電路的第一級將MEMS所產生的電荷信號轉化成電路可以處理的電壓信號。該電壓信號經過第二級電路的運算、放大和平衡處理后再送往第三級電路。第三級電路集高通濾波器和放大功能于一體。來自MEMS的電荷信號經過該前端電路的處理后,再被送往后續電路進行相位、幅度和角速度的檢測等。

所述陀螺儀的前端電路的第一級電路是利用Q=C*V的原理來工作的。假定運放是理想的,并且輸人電容為O,那么來自MEMS的電荷信號通過電容后將在輸出端全部轉換成電壓信號。雖然實際運放會引入一定的誤差,但運放的開環增益足夠高,并且運放的輸入電容跟C相比可以忽略的話,電荷到電壓的轉換就不會有問題。由于共振模式和檢測模式時電荷的變化相差幾個數量級,C取得太小,容易使運放進人飽和模式而無法正常工作;C取的太大的話,檢測模式時信號會太小,對噪聲要求會很高,所以需要綜合考慮這些因素選擇合適的C值。本發明采用的是幾十個pF的電容。其中的R網路的T型結構來實現一個很大的交流電阻。

由于XlO和X20通道上存在差異,Y10和Y20通道上存在差異,第二級電路增加了平衡電路。通過調整平衡電路使得電路在共振模式且沒有角速度信號輸入時,檢測到的角速度信號小到可以忽略的地步。這一步調整是在對系統進行校準的時候進行的。輸出調整到滿足系統要求時,要將此時平衡電路的數字編碼寫入寄存器中。由于MEMS器件本身可能不同,所以這個編碼可能是不同的。該平衡電路是針對MEMS器件的非匹配性進行的校準,不會開放給客戶,因此不會造成客戶在使用中的困惑。平衡電路通過改變某些信號通路上的增益來實現對信號的微調。增益由10位數字信號來控制,通過改變來自X20、DX20和Y20、DY20通道的電阻值實現的。調整數字編碼使得電路在沒有角速度信號時檢測通道上的輸出接近于零。其中A1和A2是連接到X20和DX20或Y20和DY20,B1和B2連接到x通道或Y通道上差分放大器的輸入端。

所述第三級電路是高通濾波器。由于信號頻率在幾十KHz的數量級上,我們將高通濾波器的截止頻率設置為7KHz附近。該高通濾波器可以將來自前面電路的低頻噪聲濾除很大一部分,可以降低后續電路對噪聲的要求,降低設計難度。由于檢測信號比較小,x和Y通道的增益為4。Z通道上只有共振時的信號,信號比較大,所以Z通道的增益為1。

本發明的有益效果是:結構簡單,僅用一個傳感器就可以產生三個軸的角速度信號,體積小巧。另外,該類型的陀螺儀諧振頻率通常也比較高,不存在音頻干擾的問題,方便客戶使用。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明的前端電路架構圖。

圖2是本發明的R網絡示意圖。

圖3是本發明的二級電路的實現形式圖。

圖4是本發明的平衡電路電路圖。

圖5是本發明的高通濾波器電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1,陀螺儀的前端電路的第一級將MEMS所產生的電荷信號轉化成電路可以處理的電壓信號。該電壓信號經過第二級電路的運算、放大和平衡處理后再送往第三級電路。第三級電路集高通濾波器和放大功能于一體。來自MEMS的電荷信號經過該前端電路的處理后,再被送往后續電路進行相位、幅度和角速度的檢測等。

如圖2,陀螺儀的前端電路的第一級電路是利用Q=C*V的原理來工作的。假定運放是理想的,并且輸人電容為O,那么來自MEMS的電荷信號通過電容后將在輸出端全部轉換成電壓信號。雖然實際運放會引入一定的誤差,但運放的開環增益足夠高,并且運放的輸入電容跟C相比可以忽略的話,電荷到電壓的轉換就不會有問題。由于共振模式和檢測模式時電荷的變化相差幾個數量級,C取得太小,容易使運放進人飽和模式而無法正常工作;C取的太大的話,檢測模式時信號會太小,對噪聲要求會很高,所以需要綜合考慮這些因素選擇合適的C值。我們的設計中采用的是幾十個pF的電容。其中的R網路的T型結構來實現一個很大的交流電阻。

如圖3、圖4,由于XlO和X20通道上存在差異,Y10和Y20通道上存在差異,第二級電路增加了平衡電路。通過調整平衡電路使得電路在共振模式且沒有角速度信號輸入時,檢測到的角速度信號小到可以忽略的地步。這一步調整是在對系統進行校準的時候進行的。輸出調整到滿足系統要求時,要將此時平衡電路的數字編碼寫入寄存器中。由于MEMS器件本身可能不同,所以這個編碼可能是不同的。該平衡電路是針對MEMS器件的非匹配性進行的校準,不會開放給客戶,因此不會造成客戶在使用中的困惑。平衡電路通過改變某些信號通路上的增益來實現對信號的微調。增益由10位數字信號來控制,通過改變來自X20、DX20和Y20、DY20通道的電阻值實現的。調整數字編碼使得電路在沒有角速度信號時檢測通道上的輸出接近于零。其中A1和A2是連接到X20和DX20或Y20和DY20,B1和B2連接到x通道或Y通道上差分放大器的輸入端。

如圖5,第三級電路是高通濾波器。由于信號頻率在幾十KHz的數量級上,我們將高通濾波器的截止頻率設置為7KHz附近。該高通濾波器可以將來自前面電路的低頻噪聲濾除很大一部分,可以降低后續電路對噪聲的要求,降低設計難度。由于檢測信號比較小,x和Y通道的增益為4。Z通道上只有共振時的信號,信號比較大,所以Z通道的增益為1。

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