基于锁相放大器的MEMS半球陀螺性能检测系统研究

发布时间：2020-08-17 07:52

【摘要】：近年来,随着MEMS技术的不断发展,传感器的微型化也得到长足的进步。基于硅基的MEMS陀螺就是典型发展成果之一。与传统陀螺仪相比,它具有体积小、重量轻、功耗低、易于集成等优点,可广泛应用于汽车电子、消费电子以及航空航天等领域。对于MEMS陀螺性能的检测,一般通过搭建相关电路系统来实现,这种检测电路由于分布参数等因素的影响,往往会使检测结果有较大的不确定性,而且电路调试也比较繁杂。本文提出了以锁相放大器为主的仪器级MEMS半球陀螺性能检测系统,在设计出信号提取低噪声接口电路的同时,通过锁相放大器实现了驱动与检测双环路系统,并准确检测出MEMS半球陀螺相关性能参数。首先,在充分介绍半球陀螺工作原理的基础上,描述了结构设计和加工工艺,并给出了描述陀螺性能相关参数指标。其次,对半球陀螺敏感信号的提取方法进行了深入的研究,包括敏感电容信号提取、解调、滤波放大等电路的优化设计,并通过分析电路噪声特征,设计出了噪声低、易于在板级电路实现的接口电路。同时在TINA软件中对电路性能进行了仿真优化,在Altium Designer中完成PCB的设计,实现了低噪声、高增益的敏感信号提取接口电路。为了能简捷方便的实现对MEMS半球陀螺性能检测,文中采用HF2LI锁相放大器实现了仪器级陀螺的驱动与敏感检测环路。被测MEMS陀螺通过接口电路与锁相放大器连接,利用锁相放大器中Demod、PLL、PID等模块,并通过相关模块软件界面的参数设定,实现驱动环路的锁频、稳幅以及敏感闭环检测输出。以MEMS半球陀螺为例,测得该陀螺在±250°/s量程下标度因数为2.55mV/°/s,非线性度为660ppm,零偏稳定性为60.3°/h,零偏不稳定性为20.6°/h等参数,也用电路级检测系统进行了该测试结果正确性的验证,证明了本系统的有效性。本系统具有方便、快捷、可靠等特点,可广泛应用于MEMS谐振器件的性能评测之中。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN96
【图文】：

半球,陀螺,熔石英,材料加工

国内有东南大学、国防科技大学等正积极展开对ＭＥＭＳ半球陀螺的研究。逡逑密歇根大学的Ｃｈｏ邋Ｊ等人在２０１３年利用熔石英材料研制半球陀螺，其中一种类逡逑似鸟类戏水盆结构，其ＳＥＭ图如图１．１所示［７］，直径２．５＿，高１．１＿。真空度在小逡逑于ＩｍＴｏｒｒ时，半球陀螺二阶模态谐振频率为８１９６Ｈｚ和８２１６Ｈｚ，频差２０Ｈｚ。频率在逡逑８１９６Ｈｚ的信号衰减时间常数为８．３ｓ，邋Ｑ值为２１３６０４，频率在８２１６Ｈｚ信号的时间常逡逑数为邋８．２ｓ，邋Ｑ邋值为邋２１１５４５。逡逑＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿逦Ｆｕｓｅｄ－ｓｉｌｉｃａ邋ｐ－ｂｉｒｄｂａｔｈ逡逑Ｂ＇ｌ邋：逦＾逦Ｒｅａｄｏｕｔ－ａｎｄ－邋ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ｍｅｔａｌｉｉｚｅｄ）逡逑ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ邋逦邋Ｂｏｕｎｄａｒｙ逡逑ｍ逦ｒｐｆ逡逑Ｂｏｔｔｏｍ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑图１．邋１熔石英半球陀螺的ＳＥＭ图ｔ７］逦图１．２半球陀螺结构［８］逡逑２０１４年，Ｃｈｏ邋Ｊ等人又用同样的工艺同样的材料加工不同尺寸的半球陀螺，其结逡逑构如图１．２所示［８］，有一个中心锚点，一个谐振器，１６个信号读出和控制电极，电极逡逑和锚点都固定在玻璃衬底上。谐振器的直径是２．５＿，锚点直径是０．５ｍｍ，高度是逡逑１．５５ｍｍ。该规格的半球陀螺在真空度小于ＩｍＴｏｒｒ室温下，二阶模态的谐振频率分别逡逑为１０４６５Ｈｚ和１０４７９Ｈｚ

半球,陀螺,熔石英,金属玻璃

逦：逡逑图１．邋３二氧化娃半球陀螺图１．４多晶硅半球谐振陀螺ＳＥＭ图Ｍ逡逑２０１４年，Ｓｈａｏ邋Ｐ等人首次提出利用单片晶圆制作多晶硅半球谐振陀螺包括驱动逡逑电极、敏感电极和调谐电极［１２］。该半球陀螺球壳厚７００ｎｍ，直径１．２ｍｍ，其ＳＥＭ图逡逑如图１．４所示。其Ｑ值在６．７ｋＨｚ处是８５００，频差是１０５Ｈｚ。逡逑加州大学戴维斯分校的Ａｍｉｒ邋Ｈ等人在２０１３年利用多晶金刚石加工半球陀螺［１３］，逡逑金刚石具有低的热损耗和大的刚度系数。加工出的半球谐振陀螺直径１．１＿，在真空逡逑度４＿３ｍＰａ时，谐振频率为１８．３１６ｋＨｚ和１８．３２１ｋＨｚ，频差５Ｈｚ。逡逑２０１４年，爱尔兰分校的Ｄｏｒｎｋ邋Ｓ等人提出熔石英制作高对称性、高Ｑ值半球陀螺逡逑的吹玻璃工艺［１４］

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【参考文献】