中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
MEMS盤式諧振式陀螺儀（DRG）憑借緊湊結(jié)構(gòu)、高熱穩(wěn)定性和軸對稱嵌套環(huán)設(shè)計(jì)，在高精度MEMS尋北儀等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。這種陀螺儀的簡并諧振器通過模態(tài)匹配顯著降低耦合誤差，結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)還解決了頻率分裂問題，但制造缺陷仍導(dǎo)致不對稱性。質(zhì)量調(diào)整、離子束切割等后處理技術(shù)雖能削弱非對角耦合項(xiàng)，卻未根除不對稱根源。利用微機(jī)電sigma-delta架構(gòu)檢測力平衡的技術(shù)為MEMS陀螺儀帶來力平衡閉環(huán)控制與模數(shù)轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢，但單比特sigma-delta架構(gòu)卻存在穩(wěn)定性和輸入動態(tài)范圍受限等問題。
近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所陳方團(tuán)隊(duì)與蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出了一種可擴(kuò)展輸入動態(tài)范圍的高精度sigma-delta類蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀。該系統(tǒng)通過引入線性多比特力反饋機(jī)制來解決單比特sigma-delta陀螺儀系統(tǒng)的局限性問題，在無需更高的驅(qū)動電壓情況下有效拓寬了陀螺儀的輸入范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，類蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀在輸入動態(tài)范圍、角度隨機(jī)游走和偏置不穩(wěn)定性分別提升了30%、106.2%和487.9%。這項(xiàng)研究成果以“Anti-aliasing multi-bit sigma-delta modulated cobweb-like disk resonator gyroscope with extending input range“為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
這項(xiàng)MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)研究工作摒棄了傳統(tǒng)圓形嵌套環(huán)結(jié)構(gòu)，采用16邊形類蜘蛛網(wǎng)狀多環(huán)嵌套式陀螺儀（CDRG）諧振器設(shè)計(jì)，有效減少工藝誤差影響，大幅度提高結(jié)構(gòu)對稱性。通過質(zhì)量-剛度解耦方法優(yōu)化諧振器性能，在保持梁寬不變的前提下顯著降低諧振頻率，同時提升品質(zhì)因數(shù)（Q）值，從而使得陀螺儀的信噪比得到顯著提升，其設(shè)計(jì)思路如圖1所示。
圖1 類蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀設(shè)計(jì)策略
研究人員設(shè)計(jì)的類蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀頻率理論值約為5.586kHz，品質(zhì)因數(shù)為1.59E5。加工后的陀螺儀驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)頻率分別為5581.1 Hz和5579.8 Hz，頻差僅為1.3Hz，品質(zhì)因數(shù)實(shí)測值約為1.38E5，與理論值極為接近，說明加工工藝一致性較好，接近理想值。5 kHz器件的相對頻率裂解高于18 kHz器件，主要原因可能是5 kHz器件嵌套環(huán)的環(huán)數(shù)過多（有14個環(huán)），工藝誤差累積誤差更大。針對靜電非線性效應(yīng)，提出采用內(nèi)部雙電極驅(qū)動模式，通過優(yōu)化驅(qū)動電極布局和激勵電壓，將臨界振蕩幅度從1.38 μm提升至1.68 μm，有效降低非線性誤差。這一改進(jìn)為后續(xù)sigma-delta閉環(huán)測控電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。圖2展示了該陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖和相關(guān)仿真結(jié)果。
圖2 類蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖與仿真結(jié)果
結(jié)合設(shè)計(jì)的抗混疊自時鐘多比特sigma-delta力平衡測控電路，采用3級（1.5位）量化器，避免了陀螺儀閉環(huán)系統(tǒng)因檢測輸入幅度增大導(dǎo)致的量化增益下降問題，從而顯著提升系統(tǒng)的動態(tài)范圍。該電路系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)原理和仿真如圖3和圖4所示。
圖3 抗混疊多比特sigma-delta陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
為了減少噪聲信號和寄生模態(tài)信號的干擾，sigma-delta調(diào)制前增加抗混疊低通濾波器，抑制高頻噪聲折疊到基帶信號。進(jìn)一步地，通過數(shù)字PLL實(shí)現(xiàn)諧振頻率、采樣頻率和載波頻率同步，完全避免混疊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該陀螺儀整體噪聲性能得到較大的改善，其對應(yīng)的測試結(jié)果如圖5所示。
圖4 類蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀系統(tǒng)部分仿真結(jié)果
圖6展示了該陀螺儀的測試結(jié)果，圖中分別展示了陀螺儀的頻率特性、輸入范圍、噪聲性能和零偏Allan方差結(jié)果。從圖6(d)中可以看出，這種新型類蛛網(wǎng)MEMS陀螺儀的零偏不穩(wěn)定性（BI）從3.88 °/h優(yōu)化至0.66 °/h，角度隨機(jī)游走（ARW）從0.134 °/√h降至0.065 °/√h，性能達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級慣性導(dǎo)航的要求。
