微机械陀螺自激驱动电路研究

• 作 者: 许晓巍
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 微机械陀螺 驱动接口电路 等效电学模型 外加交流电压驱动 自激驱动

微机械陀螺是近十年快速发展起来的一种新型惯性器件,其敏感结构和接口电路都主要由MEMS和微电子工艺制作而成,具有体积小,成本低,便于大批量生产等特点,在工业生产、汽车工业以及军事应用等方面有着广阔的发展和应用前景。论文在分析微机械陀螺的静电驱动和驱动模态动力学特性的基础上,对其驱动方式进行了研究,对外加交流电压驱动电路和自激驱动电路分别进行了电路原理设计、前仿真、版图设计和后仿真。首先,根据微机械陀螺的动力学方程,建立了其驱动模态的电学模型。通过对驱动模态电学模型进行交流小信号分析,得到驱动振动速度幅度随输入驱动力的频率响应,最大值对应的频率点就是驱动的固有频率,与理论计算的固有频率是一致的;利用瞬态分析法对驱动电学模型进行电路模拟,可以看到阻尼力系数越小,维持振动的时间就越长;驱动振动需要一定的时间达到稳定,阻尼力系数越大,振动达到稳定所需要的时间越短。然后,对外加交流电压和自激驱动这两种驱动方式进行了研究,重点对自激驱动原理进行了分析,确定了自激驱动电路的实现方法,并用理想器件搭建了电路模型,通过Hspice仿真,验证了其可行性。最后,进行了电路设计,对各个模块仿真验证,并结合微机械陀螺的驱动模态电学模型对自激驱动电路进行了Hspice模拟,验证了其功能;可以看到驱动信号频率为驱动模态的固有频率,大小为2.755kHz,得到的反馈驱动电压幅度为1.2V,频率稳定度为0.029%,幅值稳定度为0.047%,满足了微机械陀螺敏感结构对驱动电压的要求。最终实现了自激振荡驱动的功能,为陀螺器件实现角速度检测提供了保证。