一种模态分离式MEMS陀螺仪频差自动调谐系统

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量，特别是一种模态分离式mems陀螺仪频差自动调谐系统。

背景技术：

1、硅微陀螺仪是一种基于mems工艺设计的芯片化角速率传感器。相比于传统惯性陀螺仪，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、易于集成批量化、可靠性好、测量范围大等特点，这也使得其在军用领域具有重要应用价值也在民用领域具有广阔的发展前景。

2、目前，工作在50～100hz小频差模式下的mems陀螺仪已经达到0.1°/h的零偏不稳定性，初步满足了5g基站、无人平台等的寻北定向需求。但受mems加工工艺的非理想制约，批量制备的mems陀螺仪个体间频差存在不可避免的离散性，需要对其进行逐只标定，成为了制约其成本及批量化应用的技术瓶颈。

3、模态分离的mems陀螺仪的机械灵敏度与其驱动模态与检测模态之间的频差成反比，通过缩小频差可以有效提高mems陀螺仪的机械灵敏度，抑制接口电路噪声，提高信噪比(snr)以及角度随机游走(arw)，提升mems陀螺仪的噪声性能。对于典型模态分离的mems陀螺仪，当频差处于50～100hz的小频差模态分离下时，机械灵敏度可以达到0.1ff/dps以上，将接口电路噪声抑制至机械热噪声水平之下，可实现～0.1°/h的零偏不稳定性，初步具有寻北能力。但mems批量制备工艺中的亚μm刻蚀失配误差、应力键合误差导致同批次mems陀螺仪个体之间频差会存在±100hz的差别，机械灵敏度差异可达3倍以上，造成mems陀螺仪成品率不足。为了提高圆片成品率，需要对批量制备的mems陀螺仪进行频差调谐，使得mems陀螺仪的频差全部落在50～100hz范围内。

4、目前进行频差调谐的方法为基于mems陀螺仪具有静电负刚度特性，为了保持频差的一致性，通过改变检测质量块上的直流电压来改变其谐振频率，对mems陀螺仪的频差进行调谐。由于在模态分离模式下，mems陀螺仪的检测频率无法直接获取，需要通过人工逐只改变活动质量块电极电压，再进行标度测量以及对噪声进行功率谱分析间接反推实际频差，以确定每一只mems陀螺仪所需的调谐电压，故人工测试十分麻烦会提高成本，而通过自动调谐可以实现低成本。因此，研究mems陀螺仪频差自动调谐方法对降低其标定测试、人力成本意义重大。

5、目前mems陀螺仪频差自动调谐研究方面主要针对模态匹配式mems陀螺仪，通过模态频率自匹配技术使陀螺仪的驱动固有频率和检测固有频率相等并保持这个状态来提高陀螺仪的机械灵敏度，没有关于模态分离式陀螺的频差自动调谐的发明。中国专利cn115452001a公开的一种针对模态匹配式陀螺仪频差调谐系统，将双边倍频激励信号施加在mems陀螺仪的检测模态激励电极，通过检测电极对检测模态激励电极的输出信号和角速度输入信号进行感应，共同计算获取模态频差信号，通过判断模态频差信号是否等于零来判断mems陀螺仪是否达到模态匹配状态。这一类方法仅仅适用于模态匹配式mems陀螺仪，当mems陀螺仪处于模态分离时，双边激励信号输出感应的对称性不再存在，也无法通过模态频差信号来判断mems陀螺仪的频差值。

6、现有的频差调谐的目的主要是实现模态匹配，会导致mems陀螺仪的工作带宽急剧降低，易受到外界干扰，不能满足mems陀螺仪在复杂环境中长期工作的要求。所以需要将mems陀螺仪频差自动控制在目标范围，既可以保证较高的灵敏度又可以存在一定的工作带宽，自动调谐可以有效的降低其标定测试、人力成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于提供一种模态分离式mems陀螺仪的频差自动调谐系统，基于mems陀螺仪具有的静电负刚度效应以及正弦激励信号的幅频响应，通过静电调谐的方法对mems陀螺仪的频差进行自动调谐，使得具有较为离散频差的同批次mems陀螺仪的频差自动调谐到设定目标。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种模态分离式mems陀螺仪频差自动调谐系统，包括：

4、激励信号发生模块，用于驱动检测电极上产生的驱动检测电流转换为驱动电压并作用于mems陀螺仪驱动电极，提取和存储驱动频率及产生与驱动频率同频的正弦激励信号，通过时序控制单元控制驱动电压作用于力反馈电极或检测电极正极，使mems陀螺仪中的检测谐振器作受迫振动；

5、频差自调谐模块，通过激励信号发生模块产生的正弦激励信号的幅频响应表征检测谐振器作受迫运动振幅，通过与可调基准值相作差后利用自动增益控制产生调谐反馈电压，反馈于活动质量块电极，并利用静电负刚度效应进行频差调谐；

6、调谐电压发生模块，用于将频差自调谐模块稳定后的调谐反馈电压转换为数字信号后进行存储，由时序控制单元控制产生固定的模拟反馈电压作用于活动质量块电极，并断开频差自调谐模块，完成频差自动调谐。

7、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

8、(1)与传统的人工手动频差调谐方法相比，本发明的mems陀螺仪频差自动调谐系统可以自动将mems陀螺仪的频差控制在设定目标，极大的节省人工测试的时间成本，缩短测试时间，使得测试过程变得方便快捷。

9、(2)本发明添加了延时开关控制驱动电压，当提取出mems陀螺仪的驱动频率后，断开驱动电压与驱动电极之间的连接，这样可以有效的防止mems陀螺仪的正交信号输出对正弦激励信号输出造成干扰，使得后续处理检测电压输出更加方便，更加准确的将频差控制在设定值。

10、(3)与传统的模态匹配mems陀螺仪频率相比，本发明的模态分离式mems陀螺仪频差自动调谐系统可以将mems陀螺仪的频差调整到设定范围内的任意值，可以提高mems陀螺仪的工作带宽，减少外界干扰对mems陀螺仪输出的影响。

技术特征：

1.一种模态分离式mems陀螺仪频差自动调谐系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的模态分离式mems陀螺仪频差自动调谐系统，其特征在于，所述正弦激励信号发生模块包括：

3.根据权利要求1所述的模态分离式mems陀螺仪频差自动调谐系统，其特征在于，所述频差自调谐模块包括：

4.根据权利要求2所述的模态分离式mems陀螺仪频差自动调谐系统，其特征在于，所述调谐电压发生模块包括：

5.根据权利要求4所述的模态分离式mems陀螺仪频差自动调谐系统，其特征在于，所述时序控制单元控制延时开关a、b、c的通断时间，包括：

6.根据权利要求2所述的模态分离式mems陀螺仪频差自动调谐系统，其特征在于，所述时序控制单元对延时开关的具体时序控制为：

技术总结
本发明公开了一种模态分离式MEMS陀螺仪频差自动调谐系统，激励信号发生模块将驱动检测电极产生的驱动检测电流转换为驱动电压并作用于驱动电极，实现驱动频率的提取、存储、及产生与其同频的正弦激励信号，使检测谐振器作受迫振动；频差自调谐模块通过激励信号的幅频响应表征检测谐振器受迫运动振幅，通过与可调基准值相作差后利用自动增益控制产生调谐电压，反馈于活动质量块电极上，利用静电负刚度效应进行频差调谐；将稳定后的调谐反馈电压存储在调谐电压发生模块，由时序控制单元控制产生固定的调谐反馈电压作用于活动质量块电极，并断开频差自调谐模块，完成频差自动调谐；克服了批制备下MEMS陀螺仪的频差离散性。

技术研发人员：赵阳,许宏宇,施芹,夏国明,黄锦阳,裘安萍
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22