中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
MEMS盤(pán)式諧振式陀螺儀（DRG）憑借緊湊結構、高熱穩定性和軸對稱(chēng)嵌套環(huán)設計，在高精度MEMS尋北儀等領(lǐng)域具有較大的應用潛力。這種陀螺儀的簡(jiǎn)并諧振器通過(guò)模態(tài)匹配顯著(zhù)降低耦合誤差，結構的創(chuàng )新設計還解決了頻率分裂問(wèn)題，但制造缺陷仍導致不對稱(chēng)性。質(zhì)量調整、離子束切割等后處理技術(shù)雖能削弱非對角耦合項，卻未根除不對稱(chēng)根源。利用微機電sigma-delta架構檢測力平衡的技術(shù)為MEMS陀螺儀帶來(lái)力平衡閉環(huán)控制與模數轉換的優(yōu)勢，但單比特sigma-delta架構卻存在穩定性和輸入動(dòng)態(tài)范圍受限等問(wèn)題。
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所陳方團隊與蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院團隊聯(lián)合提出了一種可擴展輸入動(dòng)態(tài)范圍的高精度sigma-delta類(lèi)蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀。該系統通過(guò)引入線(xiàn)性多比特力反饋機制來(lái)解決單比特sigma-delta陀螺儀系統的局限性問(wèn)題，在無(wú)需更高的驅動(dòng)電壓情況下有效拓寬了陀螺儀的輸入范圍。實(shí)驗結果表明，類(lèi)蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀在輸入動(dòng)態(tài)范圍、角度隨機游走和偏置不穩定性分別提升了30%、106.2%和487.9%。這項研究成果以“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MEMS陀螺儀設計研究工作摒棄了傳統圓形嵌套環(huán)結構，采用16邊形類(lèi)蜘蛛網(wǎng)狀多環(huán)嵌套式陀螺儀（CDRG）諧振器設計，有效減少工藝誤差影響，大幅度提高結構對稱(chēng)性。通過(guò)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(zhù)降低諧振頻率，同時(shí)提升品質(zhì)因數（Q）值，從而使得陀螺儀的信噪比得到顯著(zhù)提升，其設計思路如圖1所示。
圖1 類(lèi)蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀設計策略
研究人員設計的類(lèi)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)因數為1.59E5。加工后的陀螺儀驅動(dòng)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)因數實(shí)測值約為1.38E5，與理論值極為接近，說(shuō)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)數過(guò)多（有14個(gè)環(huán)），工藝誤差累積誤差更大。針對靜電非線(xiàn)性效應，提出采用內部雙電極驅動(dòng)模式，通過(guò)優(yōu)化驅動(dòng)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(xiàn)性誤差。這一改進(jìn)為后續sigma-delta閉環(huán)測控電路系統的穩定運行奠定了基礎。圖2展示了該陀螺儀的結構示意圖和相關(guān)仿真結果。
圖2 類(lèi)蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀的結構示意圖與仿真結果
結合設計的抗混疊自時(shí)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)系統因檢測輸入幅度增大導致的量化增益下降問(wèn)題，從而顯著(zhù)提升系統的動(dòng)態(tài)范圍。該電路系統相關(guān)的設計原理和仿真如圖3和圖4所示。
圖3 抗混疊多比特sigma-delta陀螺儀系統設計原理
為了減少噪聲信號和寄生模態(tài)信號的干擾，sigma-delta調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(guò)數字PLL實(shí)現諧振頻率、采樣頻率和載波頻率同步，完全避免混疊。實(shí)驗結果表明，該陀螺儀整體噪聲性能得到較大的改善，其對應的測試結果如圖5所示。
圖4 類(lèi)蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀系統部分仿真結果
圖6展示了該陀螺儀的測試結果，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方差結果。從圖6(d)中可以看出，這種新型類(lèi)蛛網(wǎng)MEMS陀螺儀的零偏不穩定性（BI）從3.88 °/h優(yōu)化至0.66 °/h，角度隨機游走（ARW）從0.134 °/√h降至0.065 °/√h，性能達到戰術(shù)級慣性導航的要求。
