有機(jī)械耦合的電容式硅微陀螺敏感信號(hào)讀取

一、前言

硅微機(jī)械傳感器是用半導(dǎo)體硅加工工藝實(shí)現(xiàn)的傳感器。體積小使其獲得廣泛的應(yīng)用前景。但是由于體積小，微小的絕對(duì)機(jī)械誤差卻產(chǎn)生較大的相對(duì)誤差，帶來(lái)運(yùn)動(dòng)交互干擾，即機(jī)械耦合問(wèn)題。電容式硅微機(jī)械陀螺是用于測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的傳感器。由力學(xué)原理可知，由剛體轉(zhuǎn)動(dòng)（角速度ωe）和平動(dòng)（線速度vr），可產(chǎn)生一正交的加速度（科利奧里加速度，科氏加速度ac）。

圖1 科氏加速度
Fig. 1 Coriolis acceleration

在設(shè)計(jì)微陀螺結(jié)構(gòu)時(shí),為了提高靈敏度,往往使驅(qū)動(dòng)軸和敏感軸的諧振頻率盡量接近,從而增加了系統(tǒng)的機(jī)械耦合敏感性。由于制造工藝缺陷的存在,產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)質(zhì)量不均勻、梁的彈性不平衡、阻尼不對(duì)稱等制造誤差。諸多因素致使驅(qū)動(dòng)軸耦合到敏感軸的振動(dòng)幅度加大,即機(jī)械耦合誤差的增大,使結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)偏移輸出。這種耦合是制約微陀螺性能提高的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此人們提出了各種結(jié)構(gòu)的微陀螺抑制機(jī)械耦合。但是由于微陀螺本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了機(jī)械耦合誤差并不能被徹底消除。

目前從電路方面著手，解決這個(gè)問(wèn)題的方案是假定敏感方向位移與驅(qū)動(dòng)方向位移正交，用相關(guān)檢測(cè)的方法提取敏感信號(hào)。這也就是先假定無(wú)機(jī)械耦合的理想狀態(tài)，然后通過(guò)電路相移微調(diào)，零位直流補(bǔ)償緩解這一問(wèn)題。

對(duì)于微陀螺，以乘法器、低通濾波等模擬電路為核心相關(guān)檢測(cè)器的任務(wù)是從大的背景干擾信號(hào)中高精度地分離出很小的科氏加速度敏感信息。通常背景干擾信號(hào)的幅度遠(yuǎn)大于敏感信號(hào)量程。由于模擬電路的非絕對(duì)線性，干擾信號(hào)和敏感信號(hào)都存在諧波與正負(fù)半波非對(duì)稱等等問(wèn)題，以乘法器、低通濾波為基礎(chǔ)的相關(guān)檢實(shí)際效果不佳，也不穩(wěn)定。

本文準(zhǔn)備從文獻(xiàn)中已經(jīng)提出的機(jī)械耦合分析出發(fā)，提出一種敏感信號(hào)的讀取方法：在耦合干擾過(guò)零點(diǎn)采樣。

二、機(jī)械耦合分析

我們以線振動(dòng)微機(jī)械陀螺模型進(jìn)行分析。對(duì)于理想化的（無(wú)機(jī)械耦合）微機(jī)械陀螺，在單測(cè)量自由度時(shí)，理論分析有

驅(qū)動(dòng)方向（x軸）位移 （1）
敏感方向（y軸）位移 （2）

其中 ωd 為驅(qū)動(dòng)角速度；

頻率敏感系數(shù)；

ω0s 為敏感方向固有振動(dòng)角頻率