Mems陀螺的温度补偿方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微机械陀螺领域，特别涉及一种MEMS陀螺的温度补偿方法、一种MEMS 陀螺的温度补偿系统。
【背景技术】
[0002] 微机械陀螺是一种用来测量角速度的惯性器件，具有体积小、重量轻、功耗 低、抗过载能力强、易于集成和智能化等优点，因此，微机械陀螺可广泛应用于汽车牵 引控制系统、行驶稳定系统、摄像机稳定系统、飞机稳定系统以及军事等领域，相关的 研究备受国内外的关注和重视。硅基微机械陀螺的研究开始于20世纪80年代末，经 过二十余年的发展已经取得了显著的成果，目前已经有多家公司或研究机构提供基于 MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统）技术的微机械陀螺产品，根据不 同的性能指标，可以分为三个等级：惯性级、战术级和角速率级。
[0003] MEMS陀螺无论是应用在军事领域还是商业领域，都不可避免会涉及到一些变化的 温度环境，而不同的时间和空间温度场是MEMS陀螺零偏、标度因子性能漂移的主要来源。 时间温度场是指温度随时间变化，存在时间梯度；空间温度场是指陀螺表头结构和检测电 路之间的温度梯度场；时空温度场是指同时随时间和空间变化的复合温度梯度场。温度变 化导致SOG工艺MEMS陀螺硅和玻璃之间的热失配，热应力使读出电容发生漂移。此外，温 度变化会改变硅材料的杨氏模量以及真空封装腔体中气体的热运动特性，从而导致谐振频 率和Q值（品质因子）发生变化。另外，温度变化还会改变检测控制电路中的电阻值、电容 值、以及放大器的增益和相移，从而影响闭环系统的稳定、导致性能漂移。目前，MEMS陀螺 零偏和标度因子温度漂移越来越受关注，成为了国内外的研究热点。
[0004] 目前出现的其中一种温度补偿方法，是以MEMS陀螺的驱动谐振频率为温度传感 器，进行在线的标度因子和零偏温度补偿。另一种是在ASCI(AmericanStandardCodefor InformationInterchange，美国信息交换标准代码）读出电路上设个温度传感器，并 基于检测到的电路温度进行陀螺零偏的温度补偿。这些补偿方法都取得了一定的补偿效 果，但都仅单独考虑陀螺结构的温度或检测电路的温度，由于检测电路和陀螺结构之间会 存在温度梯度，温度传感器的温度主要反映的是电路的温度而非陀螺结构的温度，而陀螺 驱动谐振频率只反映结构的温度而非检测电路的温度，因此二者是不同的，只考虑单方面 的因素难以取得良好的补偿效果。
【发明内容】
[0005] 基于此，本发明实施例的一个目的在于提供一种MEMS陀螺的温度补偿方法，本发 明实施例的另一目的在于提供一种MEMS陀螺的温度补偿系统，其可以提高温度补偿精度。
[0006] 为达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
[0007] -种MEMS陀螺的温度补偿方法，包括步骤：
[0008] 获取驱动闭环控制系统的当前驱动谐振频率；
[0009] 获取检测闭环控制系统输出的当前角速度信号；
[0010] 获取检测控制电路的当前温度值；
[0011] 根据所述当前驱动谐振频率、所述当前温度值，采用预设温度模型对所述当前角 速度信号进行实时的温度补偿，得到温度补偿后的角速度输出信号。
[0012] 一种MEMS陀螺的温度补偿系统，包括：设置在陀螺的检测及控制电路的驱动闭环 控制模块、检测闭环控制模块、温度检测电路以及温度补偿模块，所述温度补偿模块的第一 输入端与所述驱动闭环控制模块的输出端连接、第二输入端与所述温度检测电路的输出端 连接、第三输入端与所述检测闭环控制模块的输出端连接，根据所述驱动闭环控制模块输 入的当前驱动谐振频率、所述温度检测电路输入的当前温度值，采用预设温度模型对所述 检测闭环控制模块输入的当前角速度信号进行实时的温度补偿，得到温度补偿后的角速度 输出信号，并输出所述角速度输出信号。
[0013] 根据如上所述的本发明实施例的方案，由于驱动谐振频率随温度线性变化，因此 通过驱动谐振频率来反映陀螺结构的温度，通过检测控制电路的当前温度值来表征电路工 作环境温度，从而据此结合了时空温度场的变化关系，同时考虑陀螺结构的温度和检测电 路的温度，对陀螺进行实时的温度补偿，有效地提高了温度补偿的精度，改善了陀螺的温漂 特性，具有极大的应用价值。
【附图说明】
[0014] 图1是MEMS陀螺驱动闭环控制系统的简单原理示意图；
[0015] 图2是MEMS陀螺检测闭环控制系统的简单原理示意图；
[0016] 图3是一个实施例中本发明的MEMS陀螺的温度补偿方法的流程示意图；
[0017] 图4是一个具体示例中温度补偿的流程原理示意图；
[0018] 图5是一个实施例中本发明的MEMS陀螺的温度补偿系统的结构示意图；
[0019] 图6是一个具体示例中基于本发明的温度补偿方案的MEMS陀螺零偏与温度关系 的对比效果示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本 发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅仅用以解释本发明， 并不限定本发明的保护范围。
[0021]MEMS陀螺无论应用在军事领域还是商业领域，都不可避免会涉及到一些变化的温 度环境，而不同的时间温度场和空间温度场是MEMS陀螺零偏和标度因子性能漂移的主要 来源。时间温度场是指温度随时间变化，存在时间梯度；空间温度场是指陀螺表头结构和检 测电路之间的温度梯度场；时空温度场是指同时随时间和空间变化的复合温度梯度场。本 发明实施例涉及的是一种基于时空温度场的MEMS陀螺温度补偿方法。
[0022] 首先对MEMS陀螺的温度性能进行简要的分析介绍。图1为MEMS陀螺驱动闭环控 制系统的简单原理示意图。驱动闭环控制的目标是控制驱动速度信号工作在陀螺的驱动谐 振频率处，并且谐振幅度尽量稳定。
[0023] 图1所示中，陀螺驱动模态的传递函数Gd(S)为：
[0025] 其中，s=jwR，为复频域的拉普拉斯算子，md为MEMS陀螺驱动质量块的质量，《 d、 Qd分别为MEMS陀螺驱动端的谐振频率和品质因子。
[0026] 此外，图1所示中，kvf为驱动电压到力的转换系数，k"为检测电容到电压的转换 系数，LMS为自适应最小均方算法，Cordic为正弦波产生算法，PI为比例-积分控制算法， 相位基准和幅度基准由扫频模块确定。由于PI闭环控制，LMS解调得到的相位和幅度信号 可以达到稳定，但由于检测电路中检测电容到电压的转换系数1^受温度影响较大，温度变 化会导致读出电路的增益和相位发生一定的漂移，因此陀螺驱动速度信号幅值1也受到影 响。
[0027] 图2是MEMS陀螺检测闭环控制系统的简单原理示意图。图2所示中，-Q⑴和 q(t)分别为输入的角速度和耦合信号，^。⑴和qjt)分别为开环输出的角速度和耦合信 号。Uq和Fb分别为科氏力、耦合力以及力平衡反馈力，mPAv、Kqf和Kvf分别为它们的力系 数。Yciut为位移电压输出，yjt)和yq(t)分别为闭环系统的角速度输出信号和正交耦合输 出信号。9为解调相位角，ms、mp分别为检测质量和复合质量，ws、Qs分别为陀螺检测端的 谐振频率和品质因子。
[0028] 其中，图2所示中的陀螺检测模态的传递函数Gs(S)是如下所示：
[0036] 其中，在上述公式（2)-(5)中，s=jwR，为复频域的拉普拉斯算子，〇JP〇 3为 G-PI控制器的极点频率，为零点频率。
[0037] 通过对上述公式进行理论推导，可以得到图2所示的控制系统的开环的传递函数 卿（s)如下述公式（6)所示，闭环的传递函数SFclosed(S)如下述公式（7)和（8)所示。
[0040] Dr (s) = -jmpAvkcv [e1 °Gs(j0R-jod)H(j0R-jod)-e] 0Gs(j〇R+jod)H(j〇R+jod)] L(j?R)P(j?R) (8)
[0041] 由此可见，该控制系统的传递函数非常复杂。通过对陀螺的零偏和标度因子进行 温度特性分析，可以得知，驱动检测频率和谐振检测频率均随温度T发生变化，近似于线性 关系，具体如下述公式（9)和（10)所示：
[0044] 而驱动Q值和检测Q值也均随温度发生变化，近似于非线性关系。此外，温度变化 会改变检测电路的增益和相位，因此力平衡反馈力的力系数Kvf、检测电容到电压的转换系 数k"、陀螺驱动速度信号幅值Av、解调相位角0等均随温度发生漂移。如果把这些结构和 电路的温漂因素都考虑进来，公式（6)的开环角速度传递函数和公式（7)的闭环角速度传 递函数均发生严重退化，温度带来标度因子和零偏的影响是复杂的非线性关系。基于此，本 发明实施例提供的温度补偿方案，考虑的是时空温度场的影响，即同时考虑陀螺结构和检 测电路的关键温漂因素，进行联合建模和实时补偿。
[0045] 图3中示出了一个实施例中本发明的MEMS陀螺的温度补偿方法的流程示意图。如 图3