基于模态切换技术的MEMS轴对称谐振陀螺测控系统研究

【摘要】：近年来,MEMS轴对称陀螺由于在航空航天、医疗、汽车电子以及智能AI等领域广阔的应用价值和前景逐渐成为MEMS传感器领域的研究热点。而环式陀螺(DRG)作为轴对称陀螺的典型结构,具有热稳定性高、传导面积大、锚点阻尼低等特点。本文针对一种新型的类蛛网式陀螺进行研究,以提高陀螺偏置稳定性为目的,设计了拥有对称结构和高信噪比的信号读出电路、驱动和敏感模态切换的控制电路以及基于相关双采样原理(CDS)的科式力检测电路等。论文首先针对类蛛网式陀螺的结构特点,研究了提取检测信号的方法,重点对信号读出电路结构和噪声问题进行探讨,设计出适宜提取该陀螺信号的拥有对称电路结构的高信噪比接口电路,相较于以往电路,本文的信号读出电路采用差分激励与差分检测的方式,保证了电路结构的对称性。其次,对基于驱动闭环、敏感力平衡检测闭环的陀螺双闭环控制系统进行了分析与探究,并总结出该经典双闭环控制系统存在的缺点。然后,根据上述缺点在传统力平衡检测环路中设计出了模态切换电路,在降低环路低频噪声的同时,将闭环标度因子放大了一倍。最后,特别对工作在模态切换模式下的科式力检测电路进行了深入分析,设计了基于CDS原理的科氏力检测方式,改善了环路增益和陀螺的偏置稳定性。实验结果表明,作为本文实验对象的一只类蛛网式陀螺的驱动模态谐振频率5045.36Hz、敏感模态谐振频率5045.14Hz,驱动模态品质因数137218、敏感模态品质因数140487。信号读出电路的噪声等效电容分辨率为0.109aF/√Hz。相对于传统的力反馈检测电路,在使用模态切换技术之后陀螺检测电路的标度因子(Scale Factor)从7.43mV/°/s增加到14.04mV/°/s,零偏不稳定性(Allan Variance)从1.792°/h提高到0.857°/h,角度随机游走(Angle Random Walk)从 0.272°/√h 提高到 0.156°/√h。