一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微机械陀螺仪，具体是一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方 法。
【背景技术】
[0002] 微机械陀螺仪是一种采用哥氏效应原理敏感载体输入角速率信息的传感器，其具 有体积小、功耗低、重量轻、成本低、抗过载特性强、易于集成化和批量生产等优点，并广泛 应用于诸多领域（比如惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等）。如图1-图2所示， 微机械陀螺仪包括陀螺结构、陀螺测控电路。所述陀螺结构包括驱动轴向结构、检测轴向结 构。所述检测轴向结构包括哥氏质量、检测位移提取结构（若检测回路为闭环回路，则检测 轴向结构还包括检测力反馈结构）。所述陀螺测控电路包括驱动闭环回路、检测回路。所述 检测回路包括前级放大接口、次级放大器、解调器、第一低通滤波器、第二低通滤波器（若 检测回路为闭环回路，则检测回路还包括调制器和直流信号叠加装置）。微机械陀螺仪的工 作模态包含驱动模态和检测模态。工作时，沿微机械陀螺仪输入轴施加输入角速率信号，贝U 微机械陀螺仪的检测回路产生输出信号。
[0003] 微机械陀螺仪的动力方程为：
[0007] Fdx=Fdsin(?dt)
[0008] ?d= ?x
[0011] 式（Al)中：x为驱动轴向结构的位移；微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频 率；Qx为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；Fdx为驱动轴向结构所受的驱动力；mx为驱动 轴向结构的等效质量；kx为驱动模态等效刚度；cx为驱动模态等效阻尼；Fd为驱动模态驱动 力幅度；为驱动模态驱动力的角频率（通常有《 d= ? x) ;y为检测轴向结构的位移； 为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；Dz为微 机械陀螺仪的输入角速率；ky为检测模态等效刚度;my为检测轴向结构的等效质量；cy为检 测模态等效阻尼。
[0012]由于微机械陀螺仪通常采用真空封装，致使微机械陀螺仪检测模态的品质因数很 大（在2000以上），因此对式（A1)进一步求解可得：
[0016] 式（A3)-(A4)中：x为驱动轴向结构的位移；Fd为驱动模态驱动力幅度；mx为驱 动轴向结构的等效质量；为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；《 <!为驱动模态驱动 力的角频率；Qx为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；y为检测轴向结构的位移；F。为哥氏 力；为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数； Dz为微机械陀螺仪的输入角速率。
[0017] 根据式（A2) - (A4)，可以得到微机械陀螺仪的机械灵敏度为：
[0019] 式（A5)中：为微机械陀螺仪的机械灵敏度；Fd为驱动模态驱动力幅度；QX 为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数;mxS驱动轴向结构的等效质量；《 ,为驱动模态驱动 力的角频率；《y为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率;A 驱动轴向结构的运动幅度； Af为微机械陀螺仪的模态频差（微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率之差）。
[0020] 根据式（A5)可知，微机械陀螺仪的机械灵敏度与微机械陀螺仪的模态频差成反 比。
[0021] 微机械陀螺仪的标度因数为：
[0023] 式（A6)中：为微机械陀螺仪的输出信号；Qz为微机械陀螺仪的输入角速率； \为驱动轴向结构的运动幅度；《 ,为驱动模态驱动力的角频率；Vda。为驱动模态激励信号 的幅度；Ky。为检测位移提取结构的转换系数；KPM为前级放大接口的增益倍数；K_为次级 放大器的增益倍数；为第一低通滤波器的增益；FOT2为第二低通滤波器的增益；《 y为 微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数。
[0024] 由于微机械陀螺仪检测模态在真空封装状态下的品质因数很大（在2000以上）， 因此根据式（A6)可知，微机械陀螺仪存在四个共轭极点：
[0028] 式（A7)中：Pl、p2、p3、p4为微机械陀螺仪存在的四个共轭极点；《 y为微机械陀螺 仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；《 d为驱动模态驱动力 的角频率。
[0029]由于微机械陀螺仪检测模态在真空封装状态下的品质因数很大（在2000以上）， 通过对式（A7)进行化简可以发现，微机械陀螺仪在其模态频差处和模态频和（微机械陀螺 仪驱动模态和检测模态的谐振角频率之和）处各存在两个共轭极点：
[0033] 式（A8)中：Pl、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；《 y为微 机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；《 <!为驱动模 态驱动力的角频率；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点。
[0034] 如图5所示，微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点会使得微机械陀 螺仪的标度因数在微机械陀螺仪的模态频差处达到峰值，并使得微机械陀螺仪的相位剧烈 变化180°。微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点对微机械陀螺仪带宽的影 响则可以忽略。
[0035] 通过对式（A6)进行化简可得：
[0037] 式（A9)中：为微机械陀螺仪的输出信号；Qz为微机械陀螺仪的输入角速率； AXS驱动轴向结构的运动幅度；Vda。为驱动模态激励信号的幅度；Ky。为检测位移提取结构 的转换系数；Kpra为前级放大接口的增益倍数；K%。为次级放大器的增益倍数；为第一低 通滤波器的增益；为第二低通滤波器的增益；Af?为微机械陀螺仪的模态频差。
[0038] 根据式（A9)可知，微机械陀螺仪的带宽为：
[0040]fb=0.54Af (All)；
[0041] 式（AlO)-(All)中：V_6n为微机械陀螺仪的输出信号；Qz为微机械陀螺仪的输入 角速率；fb为微机械陀螺仪的带宽；Af为微机械陀螺仪的模态频差。
[0042] 根据式（All)可知，微机械陀螺仪的带宽与微机械陀螺仪的模态频差成正比。 [0043] 然而在实际应用中，一方面为了提高微机械陀螺仪的机械灵敏度（以此提高微机 械陀螺仪的分辨率、阈值、信噪比、零偏稳定性、噪声特性），需要减小微机械陀螺仪的模态 频差，另一方面为了增大微机械陀螺仪的带宽，需要增大微机械陀螺仪的模态频差，由此使 得提高微机械陀螺仪的机械灵敏度和增大微机械陀螺仪的带宽成为一对矛盾，从而导致微 机械陀螺仪无法兼顾机械灵敏度和带宽。此外，如图7所示，由于制造微机械陀螺仪的材料 为硅，使得微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率、微机械陀螺仪驱动模态和检 测模态的品质因数均会随着外界温度变化而发生变化，由此使得微机械陀螺仪的模态频差 随着外界温度变化而发生变化，从而使得微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极 点随着外界温度变化而发生漂移，进而导致微机械陀螺仪的带宽全温性能差（一方面导致 微机械陀螺仪的带宽在全温范围内变化大，另一方面导致微机械陀螺仪的带内平整度差）。 基于此，有必要发明一种全新的方法，以解决微机械陀螺仪无法兼顾机械灵敏度和带宽、带 宽全温性能差的问题。
【发明内容】
[0044] 本发明为了解决微机械陀螺仪无法兼顾机械灵敏度和带宽、带宽全温性能差的问 题，提供了 一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方法。
[0045] 本发明是采用如下技术方案实现的：一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方 法，该方法是采用如下步骤实现的：
[0046] 1)以扫频的方式确定微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率；
[0047] 2)根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态扫频测试的结果，计算得出微机械陀螺 仪驱动模态和检测模态的品质因数，具体计算公式如下：
[0051] 式（A12)中：QX为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；《，为微机械陀螺仪驱动模 态的谐振角频率；《X+3S比微机械陀螺仪驱动模态固有频率状态下的信号幅值小3 分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且? x< ?x+3;Qy为微机械陀螺 仪检测模态的品质因数；为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；《p、《7+3为比微机 械陀螺仪检测模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率 信号频率点，且《 y-3< ? y< ? y+3;
[0052] 根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，计算得出微机械陀螺仪的标 度因数，具体计算公式如下：
[0057] 式（A13)中：V_n为微机械陀螺仪的输出信号；Qz为微机械陀螺仪的输入角速 率;\为驱动轴向结构的运动幅度；《 ,为驱动模态驱动力