陀螺仪系统及用于其的正交耦合和电耦合的补偿装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及陀螺仪系统技术领域，特别涉及一种陀螺仪系统及用于其的正交耦合和电耦合的补偿装置。
【背景技术】
[0002]在陀螺仪系统中，一方面由于陀螺仪表头制造工艺的偏差，陀螺仪传感器芯片的传感支路会受到机械正交耦合项的影响；另一方面由于陀螺仪表头和陀螺仪表头与集成电路的封装中，在驱动反馈电极和传感检测电极之间存在着寄生电容Cp，由于该电容的影响，驱动反馈的输出电压信号可以耦合到传感支路。
[0003]上述正交耦合项和电耦合项两种非理想的耦合效应，会对有用信号产生干扰，影响陀螺仪系统整体的动态范围和噪声性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
[0005]为此，本发明的目的在于提出一种用于陀螺仪系统的正交耦合和电耦合的补偿装置及具有其的陀螺仪系统，可以实现对表头制造工艺引起的机械正交耦合项和寄生电容引起的电耦合项进行补偿，消除这两项对有用信号的干扰。
[0006]为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种用于陀螺仪系统的正交耦合和电耦合的补偿装置，包括:正交耦合补偿模块和电耦合补偿模块，其中，所述正交耦合补偿模块，位于陀螺仪系统中的陀螺仪传感器芯片内且与所述陀螺仪系统的陀螺仪表头相连，用于对所述陀螺仪传感器芯片受到的机械正交耦合项引起的误差进行补偿，其中，所述正交耦合补偿模块包括:第一电荷敏感放大器，所述第一电荷敏感放大器的输入端与所述陀螺仪表头的驱动检测电极相连，输出第一信号，所述第一电荷敏感放大器的输出端连接至所述陀螺仪传感器芯片的第一可变增益放大器；第一增益放大器，所述第一增益放大器的输入端连接至所述第一电荷敏感放大器的输出端，对所述第一信号以预设第一增益进行放大处理，生成正交耦合项误差补偿信号；所述电耦合补偿模块位于陀螺仪系统中的陀螺仪传感器芯片内且与所述陀螺仪系统的陀螺仪表头相连，用于对所述陀螺仪表头的驱动反馈电极和传感检测电极之间的寄生电容产生的误差进行补偿，其中，所述电耦合补偿模块包括:缓冲器，所述缓冲器的输入端连接至所述陀螺仪传感器芯片的第二可变增益放大器，输出端连接至所述陀螺仪表头的驱动反馈电极，输出第二信号；第二增益放大器，所述第二增益放大器的输入端连接至所述缓冲器的输出端，对所述第二信号以预设第二增益进行放大处理，生成电耦合项误差补偿信号。
[0007]在本发明的一个实施例中，还包括:第二电荷敏感放大器、第一和第二加法器，所述第二电荷敏感放大器的输入端连接至所述陀螺仪表头的传感检测电极，第一和第二加法器，所述第一加法器的输入端连接至所述第二增益放大器的输出端和所述第二电荷敏感放大器的输出端，所述第二加法器的输入端分别与所述第一增益放大器的输出端和所述第一加法器的输出端相连，用于将所述正交耦合项误差补偿信号和电耦合项误差补偿信号叠加到正交耦合项误差信号和电耦合项误差信号上，输出补偿后的传感支路信号。
[0008]在本发明的一个实施例中，所述补偿后的传感支路信号Vsm为下式:
[0009]Vsm = Vsig+kql*A*sin(wt)+kel*Vdp*cos(wt)+Nq*kq*Kd*A*sin(wt)+Ne*ke*Vdp*cos (wt)，
[0010]其中，Vsig为有用信号，当陀螺仪系统处于静止状态时，Vsig = 0，kql*A*sin(wt)为正交親合项误差信号、kel*Vdp*cos (wt)为电親合项误差信号、Nq*kq*Kd*A*sin (wt)为正交耦合项误差补偿信号、Ne*ke*Vdp*C0S (wt)为电耦合项误差补偿信号，A为所述陀螺仪表头的驱动模态的振幅、w为振动频率、Kql和kel为耦合系数。
[0011]在本发明的又一个实施例中，当满足消除所述正交耦合项误差补偿信号和电耦合项误差补偿信号的条件时，所述第一和第二增益的增益系数满足如下关系:
[0012]Nq = -kql/ (kq*kd)，Ne = -kel/ke。
[0013]本发明的另一个实施例还提出一种陀螺仪系统，包括:陀螺仪表头、陀螺仪传感器芯片和上述实施例所述的用于陀螺仪系统的正交耦合和电耦合的补偿装置，其中，所述用于陀螺仪系统的正交耦合和电耦合的补偿装置位于所述陀螺仪传感器芯片内。
[0014]根据本发明实施例的用于陀螺仪系统的正交耦合和电耦合的补偿装置和陀螺仪系统，通过陀螺仪表头和陀螺仪传感器芯片之间引入正交耦合项补偿模块和电耦合项补偿模块，对表头制造工艺引起的机械正交耦合项和寄生电容引起的电耦合项进行补偿，消除这两项对有用信号的干扰，从而避免对陀螺仪系统整体的动态范围和噪声性能的影响，提高陀螺仪系统的整体性能。
[0015]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0016]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0017]图1为根据本发明实施例的用于陀螺仪系统的正交耦合和电耦合的补偿装置的结构框图；
[0018]图2为根据本发明实施例的用于陀螺仪系统的正交耦合和电耦合的补偿装置的电路图。
【具体实施方式】
[0019]下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0020]如图1所示，本发明实施例的用于陀螺仪系统的正交耦合和电耦合的补偿装置10，包括正交耦合补偿模块I和电耦合补偿模块2，其中，正交耦合补偿模块I和电耦合补偿模块2，位于陀螺仪系统中的陀螺仪传感器芯片30内且与陀螺仪系统的陀螺仪表头20相连。
[0021]由于陀螺仪表头20制造工艺的偏差，陀螺仪传感器芯片30的传感支路会受到机械正交耦合项的影响。设表头驱动模态的振幅为A，振动频率为W，则该正交耦合项经过传感支路的第一电荷敏感放大器(CSA)后为:kql*A*sin (wt)，其中，kql为親合系数。该正交耦合项对陀螺仪系统中的有用信号产生干扰。为此，采用正交耦合补偿模块I对陀螺仪传感器芯片30受到的机械正交耦合项引起的误差进行补偿。
[0022]参考图2，正交耦合补偿模块I包括:第一电荷敏感放大器11和第一增益放大器12。其中，第一电荷敏感放大器11的输入端与陀螺仪表头20的驱动检测电极Cdm相连，输出第一信号Kd*A*sin(wt)，其中，kd为电压到位移的增益系数。第一电荷敏感放大器11的输出端连接至陀螺仪传感器芯片30的第一可变增益放大器31。第一增益放大器12的输入端连接至第一电荷敏感放大器11的输出端，对第一信号Kd*A*sin(wt)以预设第一增益Nq*kq进行放大处理，生成正交親合项误差补偿信号Nq*kq*Kd*A*sin (wt)。
[0023]通过在陀螺仪表头20的驱动检测电极Cdm引入正交耦合补偿模块1，对正交耦合项进行补偿，即将正交耦合项误差补偿信号引入到传感支路加以消除正交耦合项误差信号。
[0024]另一方面，由于陀螺仪表头20和陀螺仪表头20与集成电路的封装中，在驱动反馈电极Cdf和传感检测电极Csm之间存在着寄生电容Cp。由于该寄生电容Cp的影响，驱动反馈的输出电压信号可以耦合到传感支路，假设驱动反馈信号Vdf = Vdp*C0S(wt)，则此电耦合项经过传感支路的第二电荷敏感放大器后为:kel*Vdp*cos (wt)，其中，kel为親合系数。
[0025]为此，采用电耦合补偿模块2用于对陀螺仪表头20的驱动反馈电极Cdf和传感检测电极Csm之间的寄生电容Cp产生的误差进行补偿。
[0026]参考图2，电耦合补偿模块2包括缓冲器21和第二增益放大器22。具体地，缓冲器21的输入端连接至陀螺仪传感器芯片30的第二可变增益放大器32，输出端连接至陀螺仪表头20的驱动反馈电极Cdf，输出第二信号Vdp*