CN103134484A - 调节电容式mems陀螺仪检测端谐振频率的电路和方法 - Google Patents

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本发明公开了一种自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路，所述电容式MEMS陀螺仪包括中心质量块、驱动端和检测端，驱动端包括驱动端电极，检测端包括检测端电极，所述检测端电极具有一输入端，该输入端用于输入一偏置电压(Vi)，以在所述中心质量块与该检测端电极之间形成电容，其中，所述电路根据所述驱动端输出电压信号与检测端输出电压信号的差别来调节该偏置电压(Vi)，从而调节所述检测端的谐振频率。本发明可以自动调整电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率，使其与驱动端信号频率一致，纠正因为工艺容差或者工作环境变化引起的失配。

Description

调节电容式MEMS陀螺仪检测端谐振频率的电路和方法
技术领域
本发明涉及MEMS和电路领域，具体涉及一种基于相位检测的自动调节电容式MEMS陀螺仪检测端谐振频率的电路和方法。
背景技术
MEMS器件基于硅微加工技术，其突出的特点是体积小，功耗小，易于集成。MEMS陀螺仪是近几年兴起的基于MEMS技术制作的角速度传感器。不同于传统的基于角动量守恒原理的陀螺仪，MEMS陀螺仪无法在衬底上制作低阻尼高速转动的部件，因此MEMS陀螺仪测量角速度主要基于科里奥利效应。图1是MEMS陀螺仪的原理图，如图1所示，在一个转动参考系中，质量块11沿径向(图中y方向)运动会受到切向(图中x方向)的力的作用，该切向力(科里奥利力)在惯性参考系中是不存在的，是一种效果力。MEMS陀螺仪的质量块11在驱动端12、12′上施加的驱动力的作用下沿径向以一定频率f做往复振动，当该体系具有一定角速度时，该质量块11就会受到相同频率f的大小与角速度成正比的切向的科里奥利力的作用，在该科里奥利力的作用下，质量块11会在切向往复运动，运动的幅度与科里奥利力的大小成正比，也即与角速度成正比。通过调理电路，可以输出大小与体系角速度成正比的电学信号。
基于科里奥利效应的MEMS陀螺仪，按照其驱动方式，分为电容式、磁场式等几种类型。磁场式MEMS陀螺仪要求给器件提供一个恒定的磁场，通常使用强磁铁，因此器件的体积较大；而电容式MEMS陀螺仪依靠静电驱动，器件体积大大减小。图2显示了典型的电容式MEMS陀螺仪的结构示意图，如图所示，电容式MEMS通常包括中心质量块11、驱动端12、12′和检测端14、14′，其中驱动端和检测端上均具有电极，即图2中所示的驱动端电极13、13′，检测端电极15、15′。各电极通常为梳齿电极。两个驱动端电极13、13′固定在中心质量块11对称的两侧，与中心质量块11的连线方向为MEMS陀螺仪的径向(图中y方向)；两个检测端电极15、15′对称固定在中心质量块11的另外两侧，与中心质量块11的连线作为切向。四个电极与中心质量块11形成电容，与中心质量块之间有电压差时就会产生静电力。
在工作状态时，在中心质量块施加工作偏置电压Vp(对地)，用于静电力的增强和机电换能的电源；中心质量块11、驱动端电极13、13′在外电路的作用下形成闭环谐振系统，使中心质量块11受静电力作用沿径向谐振(谐振频率设为f0)。使中心质量块11谐振的目的是使振动幅度达到最大，信号强度最高。在系统有角速度时，中心质量块11便会受到频率与驱动端频率相同、方向沿切向(也就是检测方向)的科里奥利力的作用，从而在检测方向振动，由此引起中心质量块11与两个检测端电极15、15′之间的距离和电容的变化。
当中心质量块11与检测端电极15之间施加了恒定的偏置电压，就可以将该电容的变化转化为电流信号输出。为了与大多数外部电路兼容，通常情况下会用跨阻放大器将该电流信号转化为电压信号。
为了达到较高的检测灵敏度，通常要求中心质量块11在检测端14的谐振频率与驱动端12谐振频率尽量一致，不能有较大的差别，其原因是：当中心质量块11在径向以驱动端谐振频率f0振动时，由前述可知，中心质量块11在检测端受到的科里奥利力的频率也是f0，如果中心质量块11在检测方向的谐振频率同样为f0，中心质量块11就会因科里奥利力发生谐振，从而使振动幅度与其他的频率点相比出现最大值。需要进一步说明的是，检测端14输出信号的频率在工作状态下与驱动端12的信号频率总是一致的，但是这个频率并不一定是检测端中心质量块的谐振频率，该方向的谐振频率由器件结构和施加偏置电压有关。
然而在实际的制作和使用时，两个方向的谐振频率并不能保持很好的相符；比如在器件制作过程中，因为工艺容差问题造成器件的实际谐振频率与设计不符，或者出现离散的情况；又如在实际的工作环境中，温度的变化会引起材料的机械特性，包括密度、杨氏模量等的变化，从而使两个方向的谐振频率失配；还比如器件的封装经历长时间使用后出现漏气导致器件谐振频率漂移等。现有的技术主要依靠提高工艺精度、采用较复杂的器件结构等方式来提高其稳定性，导致器件成本的升高，同样使得器件容易受到使用环境的限制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的是电容式MEMS陀螺仪因为工艺或者工作环境变化等因素导致的检测端谐振频率与驱动端频率不一致而降低检测灵敏度的问题，当工艺存在容差或者温度发生变化时，检测端谐振频率会自动调整至驱动端信号的频率上，使器件的角速度检测灵敏度保持在较好的水平。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路，所述电容式MEMS陀螺仪包括中心质量块、驱动端和检测端，驱动端包括驱动端电极，检测端包括检测端电极，其中所述检测端电极具有一输入端，该输入端用于输入一偏置电压，以在所述中心质量块与该检测端电极之间形成电容，其中，所述电路根据所述驱动端输出电压信号与检测端输出电压信号的相位差别来调节该偏置电压，从而调节所述检测端的谐振频率。
根据本发明的一种具体实施方式，所述电路包括：第一过零比较器，其输入端与所述电容式MEMS陀螺仪的驱动端连接，用于将该驱动端输出的模拟信号转化为数字信号；第一钳位电路，其输入端与所述第一过零比较器的输出端连接，用于固定所述第一过零比较器输出信号的幅度；第二过零比较器，其输入端与所述电容式MEMS陀螺仪的检测端连接，用于将该检测端输出的模拟信号转化为数字信号；第二钳位电路，其输入端与所述第二过零比较器的输出端连接，用于固定所述第二过零比较器输出信号的幅度；鉴相器，其具有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端与所述第一钳位电路的输出端连接，另一输入端与所述第二钳位电路的输出端连接，用于将所述第一钳位电路的输出信号与所述第二钳位电路的输出信号的相位差转化为电压信号；电压基准源，用于提供一个恒定的电压信号；PI控制器，其具有两个输入端和一个输出羰，其中一个输入端与所述鉴相器的输出端连接，另一输入端与所述电压基准源连接，用于产生与所述鉴相器的输出信号和所述电压基准源的输出信号之间的差值有关的电压信号，该PI控制器的输出端与所述电容式MEMS陀螺仪的检测端电极的输入端连接。
根据本发明的一种具体实施方式，所述电路还包括：低通滤波器，该低通滤波器连接于所述鉴相器与所述PI控制器之间，用于将所述鉴相器的输出信号中的高频成分滤除后输出到所述PI控制器。
根据本发明的一种具体实施方式，所述电压基准源提供的恒定的电压信号的电压值设置为：与当所述鉴相器的两路输入信号相位差为0时，输入到所述PI控制器的未连接于所述电压基准源的输入端的电压值相等。
根据本发明的一种具体实施方式，当所述鉴相器输出的信号不等于所述电压基准源提供的恒定的电压信号时，所述PI控制器输出的信号将持续增加或者减小。
根据本发明的一种具体实施方式，依靠检测端输出信号与驱动端信号的相位差判断驱动端谐振频率与检测端谐振频率是否一致；并将此相位差作为误差信号输入PI控制器，产生控制信号Vi以改变检测电极的静态直流电位，从而改变中心质量块在检测端方向谐振的电学刚度，进而改变谐振频率，当检测端方向的谐振频率大于驱动端方向的谐振频率时，两端口电极输出信号的相位差控制PI控制器输出的静态直流电位降低，增大电学刚度，减小电学刚度与机械刚度合成的总刚度，从而降低检测端方向的谐振频率；当质量块在检测端方向的谐振频率小于驱动端方向的谐振频率时，两端口电极输出信号的相位差控制PI控制器输出的静态直流电位升高，减小电学刚度，增大电学刚度与机械刚度合成的总刚度，从而提高检测端方向的谐振频率。
根据本发明的一种具体实施方式，所述中心质量块的频率过高时，所述PI控制器的输出信号减小，当所述中心质量块的频率过低时，所述PI控制器的输出信号增加。
本发明还提出一种自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的方法，所述电容式MEMS陀螺仪包括中心质量块、驱动端和检测端，驱动端包括驱动端电极，检测端包括检测端电极，该方法包括如下步骤：根据所述检测端输出电压信号与所述驱动端输出电压信号的相位差来判断驱动端谐振频率与检测端谐振频率是否一致；将所述相位差作为误差信号输入至一PI控制器，产生所述偏置电压后输入所述检测端电极的输入端，以改变检测端电极的静态直流电位，从而改变所述中心质量块在检测端方向谐振的电学刚度，进而改变该中心质量块的谐振频率。
根据本发明的一种具体实施方式，当所述中心质量块在检测端方向的谐振频率大于驱动端方向的谐振频率时，两端口电极输出信号的相位差控制PI控制器输出的静态直流电位降低，增大电学刚度，减小电学刚度与机械刚度合成的总刚度，从而降低检测端方向的谐振频率；当所述中心质量块在检测端方向的谐振频率小于驱动端方向的谐振频率时，两端口电极输出信号的相位差控制PI控制器输出的静态直流电位升高，减小电学刚度，增大电学刚度与机械刚度合成的总刚度，从而提高检测端方向的谐振频率。
(三)有益效果
本发明可以自动调整电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率，使其与驱动端信号频率一致，纠正因为工艺容差或者工作环境变化引起的失配。
附图说明
图1是MEMS陀螺仪的原理图；
图2显示了典型的电容式MEMS陀螺仪的结构示意图；
图3显示了本发明的MEMS陀螺仪通过检测端电极输出检测信号的原理图；
图4是本发明的基于相位检测的自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明，电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率调节可以通过PI控制器的输出信号连接MEMS陀螺仪的检测端来实现，其原理如下：
对于电容式MEMS陀螺仪，其在驱动端和检测端都有谐振特性，其谐振频率由质量块的质量和所受的刚度决定；刚度包含两部分，即机械刚度与电学刚度；机械刚度与器件的几何尺寸以及材料有关，而中心质量块与固定监测电极之间的偏置电压则决定了检测端的电学刚度。
因此在固定了中心质量块的电位后，调节检测端电极上的电位就可以调节二者之间的偏置电压，从而改变电学刚度，完成了谐振频率的调节。
本发明使用一种基于相位检测的闭环控制电路，测量检测端输出信号与驱动端信号的相位差作为误差信号，产生的控制信号反馈到检测端电极，从而调整检测端的谐振频率，使检测端的谐振频率与驱动端信号频率一致，提高了角速度检测的灵敏度。本发明可以在提供较好的性能条件下避免复杂的工艺要求，而且可以自动适应外界环境变化。
图3显示了本发明的MEMS陀螺仪通过检测端电极输出检测信号的原理图，其中以检测端电极15为例。如图3所示，检测端电极15还连接有运算放大器16，该运算放大器16的反相输入端与检测端电极15相连，运算放大器16的正相输入端则施加偏置电压Vi(对地)。此外，中心质量块11上施加了偏置电压Vp(对地)，电阻17连接于运算放大器的16的反相输入端与输出端之间。由运算放大器16的虚短原理可知，检测端电极15上的对地静态电压(相当于一个静态工作点)就是运算放大器16的同相输入端上施加的电压Vi，因此，调节Vi就可调节检测端电极15的静态电压，也就能改变中心质量块11与检测端电极15之间的偏置电压(VP-Vi)，从而能够调节中心质量块11在切向谐振方向的谐振频率。当VP-Vi较大时，电学刚度负向增大，因此与机械刚度求和后总刚度降低；谐振频率会有较为明显的下降；当VP-Vi较小时，谐振频率受电学刚度影响不大。通过电阻17，该检测端将运算放大器16的输出端作为该检测端的输出端，输出电压信号Vs。
虽然图3中仅显示检测端电极15输出检测信号的原理，但是在本发明中，驱动端电极15输出驱动信号的结构与之相似，只不是，驱动电极15不需要输入控制信息。下面的说明中，假设驱动端输出的电压信号为Vd。
图4是本发明的基于相位检测的自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路结构示意图，如图4所示，本发明的上述电跃包括：
第一过零比较器1，该第一过零比较器1的输入端与电容式MEMS陀螺仪的驱动端输出连接，用于将MEMS陀螺仪驱动端输出的幅值不固定的模拟信号Vd转化为高低电平的数字信号。
第一钳位电路2，该第一钳位电路2的输入端与第一过零比较器1的输出端连接，用于固定第一过零比较器1输出信号的幅度，使其不随电源电压变化。MEMS陀螺仪驱动端输出的电压信号Vd经过第一过零比较器1与第一钳位电路2后，被整理成为不受驱动端输出信号幅度和电源电压影响的数字信号。
第二过零比较器3，该第二过零比较器3的输入端与电容式MEMS陀螺仪的检测端输出连接，用于将MEMS陀螺仪检测端输出的幅值不固定的模拟信号Vs转化为高低电平的数字信号。
第二钳位电路4，该第二钳位电路4的输入端与第二过零比较器3的输出端连接，用于固定第二过零比较器3输出信号的幅度，使其不随电源电压变化。MEMS陀螺仪检测端输出的电压信号Vs经过第二过零比较器3与第二钳位电路4后，被整理成为不受检测端输出信号幅度和电源电压影响的数字信号。
鉴相器5，该鉴相器5具有两个输入端，其中一个输入端与第一钳位电路2的输出端连接，另一个输入端与第二钳位电路4的输出端连接，用于将第一钳位电路2的输出信号与第二钳位电路4的输出信号的相位差转化为电压信号。因为MEMS陀螺仪检测端的输出信号与MEMS陀螺仪驱动端的输出信号已经经过幅度整理，因此鉴相器5的输出信号仅与两路输入信号的相位有关。
低通滤波器6，该低通滤波器6的输入端与鉴相器5的输出端连接，用于将鉴相器5的输出信号中的高频成分滤除，只留下低频成分。鉴相器5的输出信号经过滤波后，其剩余的低频信号的幅度与鉴相器5的两个输入信号的相位差成正比。
电压基准源7，用于提供一个恒定的电压信号。该恒定电压信号的电压值设置为：与当鉴相器5两路输入信号相位差为0时，鉴相器5输出后经过低通滤波器6滤除高频信号之后的电压值相等，该电压值用V0表示。因此，一旦鉴相器5的两路输入信号有相位差，就可以引起PI控制器8的调节。
PI控制器8，该PI控制器8的具有两个输入端，其中一个输入端与低通滤波器6的输出端连接，另一输入端与电压基准源7连接。并且，具有一个输出端，该PI控制器8用于产生与两个输入端(低通滤波器6输出信号和电压基准源7的输出信号V0)之间的信号差值有关的电压信号，并经该输出端输出；而且，将该PI控制器8的输出信号作为电容式MEMS陀螺仪的检测端的输入电压信号Vi。当鉴相器5输出并经低通滤波器6滤波的输出信号维持在V0时，该PI控制器8的两个输入端信号大小相等PI控制器的输出的调节信号稳定不变；当鉴相器5输出的信号不等于V0时，PI控制器的输出的调节信号将将持续增加或者减小，直至PI控制器8的两个输入端输入的信号大小相等，由此，通过电压信号Vi的变化调节检测端电极与中心质量块的偏压，调节电容式MEMS陀螺仪的频率。
具体来说，通过上述电路，当中心质量块11的频率过高时，PI控制器使检测端的直流工作点Vi降低，从而使(Vp-Vi)增加，降低谐振频率；当中心质量块11的频率过低时，升高Vi，使(VP-Vi)减小；提升系统的谐振频率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路，所述电容式MEMS陀螺仪包括中心质量块、驱动端和检测端，驱动端包括驱动端电极，检测端包括检测端电极，其特征在于，
所述检测端电极具有一输入端，该输入端用于输入一偏置电压(Vi)，以在所述中心质量块与该检测端电极之间形成电容，其中，所述电路根据所述驱动端输出电压信号与检测端输出电压信号的相位差别来调节该偏置电压(Vi)，从而调节所述检测端的谐振频率。
2.如权利要求1所述的自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路，其特征在于，所述电路包括：
第一过零比较器(1)，其输入端与所述电容式MEMS陀螺仪的驱动端连接，用于将该驱动端输出的模拟信号转化为数字信号；
第一钳位电路(2)，其输入端与所述第一过零比较器(1)的输出端连接，用于固定所述第一过零比较器(1)输出信号的幅度；
第二过零比较器(3)，其输入端与所述电容式MEMS陀螺仪的检测端连接，用于将该检测端输出的模拟信号转化为数字信号；
第二钳位电路(4)，其输入端与所述第二过零比较器(3)的输出端连接，用于固定所述第二过零比较器(3)输出信号的幅度；
鉴相器(5)，其具有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端与所述第一钳位电路(2)的输出端连接，另一输入端与所述第二钳位电路(4)的输出端连接，用于将所述第一钳位电路(2)的输出信号与所述第二钳位电路(4)的输出信号的相位差转化为电压信号；
电压基准源(7)，用于提供一个恒定的电压信号；
PI控制器(8)，其具有两个输入端和一个输出羰，其中一个输入端与所述鉴相器(5)的输出端连接，另一输入端与所述电压基准源(7)连接，用于产生与所述鉴相器(5)的输出信号和所述电压基准源(7)的输出信号之间的差值有关的电压信号，该PI控制器(8)的输出端与所述电容式MEMS陀螺仪的检测端电极的输入端连接。
3.如权利要求2所述的自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路，其特征在于，所述电路还包括：
低通滤波器(6)，该低通滤波器(6)连接于所述鉴相器(5)与所述PI控制器(8)之间，用于将所述鉴相器(5)的输出信号中的高频成分滤除后输出到所述PI控制器(8)。
4.如权利要求2或3中任一项所述的自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路，其特征在于，所述电压基准源(7)提供的恒定的电压信号的电压值设置为：与当所述鉴相器(5)的两路输入信号相位差为0时，输入到所述PI控制器(8)的未连接于所述电压基准源的输入端的电压值相等。
5.如权利要求4所述的自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路，其特征在于，当所述鉴相器(5)输出的信号不等于所述电压基准源(7)提供的恒定的电压信号时，所述PI控制器(8)输出的信号将持续增加或者减小。
6.如权利要求5所述的自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的电路，其特征在于，所述中心质量块(11)的频率过高时，所述PI控制器(8)的输出信号减小，当所述中心质量块(11)的频率过低时，所述PI控制器(8)的输出信号增加。
7.一种自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的方法，所述电容式MEMS陀螺仪包括中心质量块、驱动端和检测端，驱动端包括驱动端电极，检测端包括检测端电极，其特征在于，该方法包括如下步骤：
根据所述检测端输出电压信号与所述驱动端输出电压信号的相位差来判断驱动端谐振频率与检测端谐振频率是否一致；
将所述相位差作为误差信号输入至一PI控制器(8)，产生所述偏置电压(Vi)后输入所述检测端电极的输入端，以改变检测端电极的静态直流电位，从而改变所述中心质量块在检测端方向谐振的电学刚度，进而改变该中心质量块的谐振频率。
8.如权利要求7所述的自动调节电容式MEMS陀螺仪的检测端谐振频率的方法，其特征在于：
当所述中心质量块在检测端方向的谐振频率大于驱动端方向的谐振频率时，两端口电极输出信号的相位差控制PI控制器输出的静态直流电位降低，增大电学刚度，减小电学刚度与机械刚度合成的总刚度，从而降低检测端方向的谐振频率；
当所述中心质量块在检测端方向的谐振频率小于驱动端方向的谐振频率时，两端口电极输出信号的相位差控制PI控制器输出的静态直流电位升高，减小电学刚度，增大电学刚度与机械刚度合成的总刚度，从而提高检测端方向的谐振频率。
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