面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法

摘要

发明公开了一种面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法，属于微机电系统设计领域。该方法通过建立参数之间的关联，给出一套从陀螺精度指标出发，考虑精度，电路噪声，带宽，灵敏度，谐振频率，品质因数，机械噪声，寄生电容，反馈电容，电容分辨率，驱动位移，激励电压等参数，以中心电容为结束的完整设计流程，为硅微机械陀螺的精度设计提供指导方法。本专利通过建立参数之间的关联，克服硅微机械陀螺参数复杂、多样的特点对设计者造成的困扰，完成面向精度的陀螺系统参数设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅微机械陀螺的设计方法,尤其涉及一种面向精度设计的硅微机械陀螺 系统参数获取方法，属于微机电系统设计领域。

背景技术

陀螺是一种用来测量物体旋转角速率的惯性器件，在导航制导、深空探测、平台稳定控 制、汽车工业、消费电子等领域具有重要的应用。

精度是评价硅微机械陀螺性能最重要的指标，因此，面向精度的硅微机械陀螺设计方法 具有重要意义。然而，硅微机械陀螺驱动模态与敏感模态之间的机械振动相互耦合、电检测 信号极其微弱且相互耦合以及存在多个复杂的闭环控制电路，且参数多样，如：精度、系统 噪声、系统灵敏度、接口电路噪声、机械噪声、电路增益、电容分辨率、有效品质因数、机 械灵敏度、寄生电容、反馈电容、等效电压噪声、等效电流噪声、机械带宽、中心电容、驱 动位移、谐振频率、品质因数等，使得面向精度的硅微机械陀螺设计过程尤其复杂且不易实 现。目前，已公开的文献报道中还没有面向精度的硅微机械陀螺系统参数设计方法相关研究。

发明内容

为克服硅微机械陀螺参数复杂、多样的特点对设计者造成困扰，本发明提出一种面向精 度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法。通过建立参数之间的关联，给出一套从陀螺精度 指标出发，考虑精度，电路噪声，带宽，灵敏度，谐振频率，品质因数，机械噪声，寄生电 容，反馈电容，电容分辨率，驱动位移，激励电压等参数，以中心电容为结束的完整设计流 程，为硅微机械陀螺的精度设计提供指导方法。

本发明提出的面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法流程图是：参考图1。

本发明提出的面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法为：

第一步，根据实际应用需求的陀螺精度BS、带宽BW，确定陀螺谐振频率f_d，通常 2kHz<f_d<20kHz，再根据公式(1)计算有效品质因数Q_eff，进一步，根据公式(2)推导得出品质因 数Q_s，此时Q_s为陀螺系统设计需要的最小品质因数；再通过表达式(3)获得机械噪声MNEΩ， 其中，X为驱动模态振动位移且满足表达式(4)，l_s0为梳齿重叠长度，K_B为玻尔兹曼常数，T为 开尔文温度，m_s为陀螺振动质量，通常，10^-8kg<m_s<10^-6kg；

$Q_{eff}=\frac{f_d}{2BW}---\left(1\right)$

$Q_{eff}=\frac{1}{\sqrt{{(1-\frac{{\left(2\pi \right(f_d+BW\left)\right)}^2}{{\left(2{\mathrm{\pi f}}_d\right)}^2})}^2+\frac{1}{{Q_s}^2}{\left(\frac{2\pi (f_d+BW)}{2{\mathrm{\pi f}}_d}\right)}^2}}---\left(2\right)$

$MNE\Omega =\frac{180}{4{\pi }^2{\mathrm{XQ}}_{eff}BW}\sqrt{\frac{K_B·T·2\pi (f_d+BW)}{m_s{Q}_s}}---\left(3\right)$

$\frac{1}{4}{l}_{s0}<X<\frac{3}{4}{l}_{s0}---\left(4\right)$

第二步，根据应用需求的系统灵敏度SF以及表达式(5)，得到系统噪声V_T；再根据电路 增益G，通常100<G<1000，以及表达式(6)得到接口电路电压噪声V_n；进一步，由接口电路阻 抗特性表达式(7)得到接口电路电流噪声I_n，其中，R_f为接口电路电荷放大器的反馈电阻，通常， 100MΩ≤R_f≤200MΩ，C_f和C_λ分别为接口电路电荷放大器的反馈电阻、寄生电容，通常，1pF ≤C_f≤5pF，2pF<C_λ<7pF；

$V_T=\frac{BS\times SF}{\sqrt{BW}}---\left(5\right)$

$V_n=\frac{V_T}{G}---\left(6\right)$

${I_n}^2={V_n}^2·({\left(2{\mathrm{\pi f}}_d\right)}^2·({C_{\lambda }}^2+{C_f}^2)+\frac{1}{{R_f}^2})---\left(7\right)$

第三步，根据表达式(8)，得到接口电路等效噪声ENEΩ，其中，V_p为接口电路输入端电 压有效值，通常1V≤V_p≤10V，C_s0为陀螺的中心电容；通过比较MNEΩ和ENEΩ，增大C_s0， 直到MNEΩ≤ENEΩ<100×MNEΩ；

$ENE\Omega =\frac{90l_{s0}}{{\mathrm{\pi V}}_{p}X}·\frac{I_n}{Q_{eff}{C}_{s0}}---\left(8\right)$

最后，根据器件层厚度h，通常，2×10^-5m<h<1×10^-4m，加工能获得的最小线宽d，通常 1.5×10^-6m<d<4×10^-6m，根据表达式(9)，获得陀螺设计应达到的梳齿对数N，再根据表达式 (10)，设计陀螺振动质量的边长L。到此，面向精度的陀螺系统参数全部确定。

$C_{s0}=\frac{N·ϵ·l_{s0}·h}{d}---\left(9\right)$

m_s＝ρ·L²·h(10)

本发明的有益效果是：通过建立参数之间的关联，克服硅微机械陀螺参数复杂、多样的 特点对设计者造成的困扰，完成面向精度的陀螺系统参数设计。下面结合图和实施例对本发 明进一步说明。

附图说明

图1是实施例中面向精度设计的陀螺系统参数获取方法流程图。

具体实施方式

本实施例中给出了一种面向精度设计的陀螺系统参数获取方法，该实施例中的设计流程 为：

第一步，根据实际应用需求，需要设计精度为0.015°/s的硅微机械陀螺，其中应用的带宽 BW需求为19Hz，驱动频率f_d为3531Hz，那么根据公式(1)，计算得有效品质因数Q_eff为93；再 根据公式(2)推导得出品质因数Q_s为8100且是系统设计需求的最小品质因数；此时，驱动位移 X取值为6×10^-6m，根据表达式(4)，梳齿重叠长度l_s0设计为1×10^-5m，玻尔兹曼常数K_B为1.38 ×10^-23J/K，开尔文T设置为室温298K，陀螺振动质量m_s设置为4.5×10^-7kg，满足振动质量的 取值范围，再通过表达式(3)计算得机械噪声MNEΩ为6.3×10^-5°/s/√Hz；

第二步，根据实际应用需求，需要的系统灵敏度SF为15mV/°/s，根据表达式(5)计算得系 统噪声V_T为5.1×10^-5°/s/√Hz，此时，取电路增益G为600，根据表达式(6)计算得接口电路电压 噪声V_n为8.6×10^-8V/√Hz；再根据接口电路阻抗特性可知，R_f取值为150MΩ，C_f取值为5pF，C_λ取值为4pF，由表达式(7)计算得到接口电路电流噪声I_n为1.2×10^-14A/√Hz；

第三步，根据表达式(8)计算获得接口电路等效噪声ENEΩ为1.1×10^-3°/s/√Hz，其中，接口 电路输入电压有效值V_p为3.5V，中心电容C_s0设计值为2pF；比较MNEΩ和ENEΩ可知，ENEΩ 小于100倍的MNEΩ，符合设计要求；

最后，器件层厚度h为2.5×10^-5m，加工能获得的最小线宽d为3×10^-6m，根据表达式(9)， 得到陀螺设计的梳齿对数N为1367，介电常数ε为8.85×10^-12F/m；再根据表达式(10)以及前面 要求的振动质量m_s，计算得陀螺振动质量的边长L为2.8×10^-3m。到此，陀螺系统参数设计值 完全确定，获得了精度为0.015°/s的硅微机械陀螺。