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時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置制造方法
【專利摘要】時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置，屬于MEMS器件領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有兩種差分電容檢測方法存在問題。本發(fā)明包括轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元、電荷電壓轉(zhuǎn)換單元、相敏解調(diào)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、信號處理單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、第一低高壓轉(zhuǎn)換單元、第二低高壓轉(zhuǎn)換單元和兩個時分頻分復用單元；兩個時分頻分復用單元的載波激勵信號V+、V-與反饋控制信號復用加載至轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元；轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元的等效陀螺信號輸出端與相敏解調(diào)單元的輸入端相連；相敏解調(diào)單元的解調(diào)信號輸出檢測信號；相敏解調(diào)單元的解調(diào)信號輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模擬信號輸入端相連；然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換和低壓變高壓，反饋至兩個時分頻分復用單元。
【專利說明】時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉一種微陀螺檢測技術(shù)，屬于MEMS器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]對于高精度微型傳感器的檢測電路，特別是轉(zhuǎn)子式微陀螺傳感器，基于轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度方法來實現(xiàn)角速度信號檢測，采用差分電容檢測方法來實現(xiàn)位移信號的拾取。該方法與其它檢測方法相比，具有檢測精度高(<10_14米)、線性度高(<10_4)、非接觸測量等技術(shù)優(yōu)勢。目前主要有兩種差分電容檢測方法，第一種是采用中間電極激勵(單一頻率)方法，同時檢測多組電容變化，然而由于電荷放大器的高阻特點，容易形成同頻檢測干擾，存在通道耦合現(xiàn)象，因此此類方法應(yīng)用較少。第二種方法應(yīng)用較多，各矢量方向電容(4對差分電容)加多頻激勵(頻分復用)方法，同時檢測多組電容變化，然而該方法由于電子器件的非理想特性(增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率、建立時間等參數(shù)限定)使得頻分復用方法中存在相敏解調(diào)混疊現(xiàn)象，從而導致各矢量電容檢測的交叉靈敏度問題。為避免上述問題的出現(xiàn)，必須將各激勵信號頻率差增大，并增加高階帶通濾波器，然而由于濾波器的相位溫漂問題將引起微陀螺的靈敏度及零位發(fā)生漂移。同時，由于轉(zhuǎn)子式微陀螺傳感器的轉(zhuǎn)子懸浮在腔體中，當轉(zhuǎn)子受到外界干擾無法直接連線，需要閉環(huán)反饋控制，才能保證轉(zhuǎn)子工作在零位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有兩種差分電容檢測方法存在的問題，提供了 一種時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置。
[0004]本發(fā)明所述時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置，它包括轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元、電荷電壓轉(zhuǎn)換單元、相敏解調(diào)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、信號處理單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、第一低高壓轉(zhuǎn)換單元、第二低高壓轉(zhuǎn)換單元、第一時分頻分復用單元和第二時分頻分復用單元;
[0005]第一時分頻分復用單元的載波激勵信號V+與反饋控制信號復用加載至轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元的第一組復用信號輸入端；
[0006]第二時分頻分復用單元的載波激勵信號V—與反饋控制信號復用加載至轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元的第二組復用信號輸入端；
[0007]轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元的等效陀螺信號輸出端與相敏解調(diào)單元的輸入端相連；
[0008]相敏解調(diào)單元的解調(diào)信號輸出端作為時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置的檢測信號輸出端；
[0009]相敏解調(diào)單元的解調(diào)信號輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模擬信號輸入端相連；
[0010]模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字信號輸出端與信號處理單元的輸入端相連；
[0011]信號處理單元的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字信號輸入端相連；
[0012]數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的模擬信號輸出端同時與第一低高壓轉(zhuǎn)換單元的低壓信號輸入端和第二低高壓轉(zhuǎn)換單元的低壓信號輸入端相連；[0013]第一低高壓轉(zhuǎn)換單元的反饋信控制號輸出端與第一時分頻分復用單元的反饋控制信號輸入端相連；
[0014]第二低高壓轉(zhuǎn)換單元的反饋控制信號輸出端與第二時分頻分復用單元的反饋控制信號輸入端相連；
[0015]載波激勵信號V+與載波激勵信號V_的相位相差180°。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點:為實現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向偏轉(zhuǎn)角度的檢測，本發(fā)明采用8個激勵電極與轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成4對差分電容和I對電荷拾取電極與轉(zhuǎn)子構(gòu)成I對拾取電容，實現(xiàn)電容變化的檢測，從而間接實現(xiàn)轉(zhuǎn)子陀螺的雙軸(X軸、Y軸)角速度信號拾取。本發(fā)明采用時分復用+調(diào)制解調(diào)技術(shù)解決多頻率相敏解調(diào)信號混疊現(xiàn)象，由于僅采用單一頻率激勵信號，因此徹底消除了各軸向檢測的交叉靈敏度。激勵信號通過兩個時分頻分復用單元中的小卩小‘時序開關(guān)分時連接至四對差分電容，電容變化通過電荷放大器檢測及放大，再次通過相敏解調(diào)單元中的小卩小‘時序開關(guān)進行相敏解調(diào)，從而間接實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的徑向偏轉(zhuǎn)角度拾取。陀螺中轉(zhuǎn)子位置控制采用靜電力伺服原理實現(xiàn)。為實現(xiàn)伺服電壓的幅值最小化、檢測電容的最大化，采用電容檢測電極與靜電力伺服控制電極共用的方法，即在相同電極下采用RC隔離、頻分復用方法實現(xiàn)電容檢測及靜電力伺服。其中靜電力反饋電壓信號通過數(shù)字信號處理器完成雙軸角速度矢量計算、靜態(tài)補償及電壓矢量動態(tài)分配。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明所述時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置的原理框圖；
[0018]圖2是相敏解調(diào)單元的電路圖。
【具體實施方式】
[0019]【具體實施方式】一:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置，它包括轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元100、電荷電壓轉(zhuǎn)換單元101、相敏解調(diào)單元102、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元103、信號處理單元104、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元105、第一低高壓轉(zhuǎn)換單元106、第二低高壓轉(zhuǎn)換單元107、第一時分頻分復用單元108和第二時分頻分復用單元109 ；
[0020]第一時分頻分復用單元108的載波激勵信號V+與反饋控制信號復用加載至轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元100的第一組復用信號輸入端；
[0021]第二時分頻分復用單元109的載波激勵信號Ψ與反饋控制信號復用加載至轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元100的第二組復用信號輸入端；
[0022]轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元100的等效陀螺信號輸出端與相敏解調(diào)單元102的輸入端相連:
[0023]相敏解調(diào)單元102的解調(diào)信號輸出端作為時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置的檢測信號輸出端；
[0024]相敏解調(diào)單元102的解調(diào)信號輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元103的模擬信號輸入端相連；
[0025]模數(shù)轉(zhuǎn)換單元103的數(shù)字信號輸出端與信號處理單元104的輸入端相連；
[0026]信號處理單元104的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換單元105的數(shù)字信號輸入端相連；[0027]數(shù)模轉(zhuǎn)換單兀105的模擬信號輸出端同時與第一低高壓轉(zhuǎn)換單兀106的低壓信號輸入端和第二低高壓轉(zhuǎn)換單元107的低壓信號輸入端相連；
[0028]第一低高壓轉(zhuǎn)換單元106的反饋信控制號輸出端與第一時分頻分復用單元108的反饋控制信號輸入端相連；
[0029]第二低高壓轉(zhuǎn)換單元107的反饋控制信號輸出端與第二時分頻分復用單元109的反饋控制信號輸入端相連；
[0030]載波激勵信號V+與載波激勵信號V_的相位相差180°。
[0031]【具體實施方式】二:本實施方式對實施方式一作進一步說明，轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元100包括四對差分電容和一對拾取電容，所述四對差分電容為Cl、C5 ;C2、C6 ;C3、C7 ;和C4、C8 ;所述一對拾取電容為C9、ClO ;拾取電容C9和ClO并聯(lián)；
[0032]差分電容C1、C2、C3和C4加載的復用信號為載波激勵信號V+和反饋控制信號；差分電容C5、C6、C7和CS加載的復用信號為載波激勵信號V—和反饋控制信號；
[0033]差分電容Cl復用加載載波激勵信號V+和反饋控制信號V+Λ Vx ；
[0034]差分電容C2復用加載載波激勵信號V+和反饋控制信號V+Λ Vy ；
[0035]差分電容C3復用加載載波激勵信號V+和反饋控制信號V-AVx ；
[0036]差分電容C4復用加載載波激勵信號V+和反饋控制信號V-Λ Vy ;
[0037]差分電容C5復用加載載波激勵信號V—和反饋控制信號V-AVx ；
`[0038]差分電容C6復用加載載波激勵信號V—和反饋控制信號V-AVy ；
[0039]差分電容C7復用加載載波激勵信號V—和反饋控制信號V+Λ Vx ；
[0040]差分電容CS復用加載載波激勵信號V—和反饋控制信號V+Λ Vy ；
[0041]四對差分電容的輸出端同時與并聯(lián)的一對拾取電容的輸入端相連，并聯(lián)的一對拾取電容的輸出端作為轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元100的等效陀螺信號輸出端。
[0042]其中:V為載波激勵信號V+、V_的等效電壓值，AVx為在X軸方向，為使轉(zhuǎn)子回到平衡位置所需施加的相對電壓值；Λ Vy為在Y軸方向，為使轉(zhuǎn)子回到平衡位置所需施加的相對電壓值。
[0043]【具體實施方式】三:本實施方式對實施方式一作進一步說明，第一時分頻分復用單元108和第二時分頻分復用單元109結(jié)構(gòu)相同，均由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和求和單元組成，所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)為一組分時開關(guān)Φρ Φ2、Φ3、Φ4;由分時開關(guān)控制，并通過求和單元加載復用信號；
[0044]第一時分頻分復用單兀108中的分時開關(guān)Φρ Φ2、Φ3、Φ4分別控制差分電容Cl、C2、C3和C4的加載；
[0045]第二時分頻分復用單兀109中的分時開關(guān)Φρ Φ2、Φ3、Φ 4分別控制差分電容C5、C6、C7和C8的加載。
[0046]【具體實施方式】四:下面結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，相敏解調(diào)單元102由一組C^1-Ch時序開關(guān)和四路相敏解調(diào)器構(gòu)成，相敏解調(diào)單元102將電荷電壓轉(zhuǎn)換單元101輸出的信號進行解調(diào)，輸出四路位移信號。
[0047]相敏解調(diào)器將已放大的交流電壓信號還原為直流電壓信號，其中&為載波激勵信號V+和T的頻率。
[0048]工作原理:
[0049]第一時分頻分復用單兀108和第二時分頻分復用單兀109中的時分開關(guān)與相敏解調(diào)單元102中的時分開關(guān)Φ「Φ4—起實現(xiàn)了信號的時分復用；第一時分頻分復用單元108和第二時分頻分復用單元109中通過求和單元Σ將激勵信號V+、V_與第一低高壓轉(zhuǎn)換單元106和第二低高壓轉(zhuǎn)換單元107輸出的反饋控制信號復用在一起實現(xiàn)信號的頻分復用。
[0050]復用信號被108和109時分開關(guān)分時加載在差分電容C1-C8上,并由并聯(lián)的拾取電容C9、C10輸出等效陀螺信號V1，該等效陀螺信號由進行檢測及放大處理后輸出電壓信號V2 ;相敏解調(diào)單元102將電壓信號V2解調(diào)輸出四路位移信號SpS2、S3、S4 ;模數(shù)轉(zhuǎn)換單元103將四路位移信號Sp S2, S3、S4轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的比特流信號屯、d2、d3、d4 ;信號處理單元104將比特流信號屯、d2、d3、d4進行處理，完成雙軸角速度矢量計算、靜態(tài)補償及電壓矢量動態(tài)分配，輸出處理后四路數(shù)字比特流信號dn、d12、d13、d14 ;數(shù)模轉(zhuǎn)換單元105將數(shù)字比特流信號dn、d12、d13、d14進行轉(zhuǎn)換，輸出相應(yīng)的模擬電壓值Sn、S12、S13、S14,作為控制反饋電壓；第一低高壓轉(zhuǎn)換單元106、第二低高壓轉(zhuǎn)換單元107將控制反饋電壓Sn、S12, S13、S14進行放大，由低壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏盒盘朧+ Λ Vx、V- Λ Vx、V+ Λ Vy、V- Λ Vy。
[0051]第一時分頻分復用單兀108將第一低高電壓轉(zhuǎn)換單兀106的輸出高電壓信號和載波激勵信號T通過RC隔離、頻分復用方法加載到微陀螺敏感單元100的轉(zhuǎn)子的差分電容C1-C4上，第二時分頻分復用單元109將第二低高電壓轉(zhuǎn)換單元107的輸出高電壓信號和載波激勵信號r通過Re隔離、頻分復用方法加載到微陀螺敏感單元100的差分電容C5-C8上，共同將微陀螺敏感單元100的轉(zhuǎn)子位置控制在初始位置上。其中該檢測電路不受高頻信號解調(diào)混頻現(xiàn)象的影響，適合于高精度微陀螺的檢測電路。
【權(quán)利要求】
1.時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置，其特征在于，它包括轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元(100)、電荷電壓轉(zhuǎn)換單元(101)、相敏解調(diào)單元(102)、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(103)、信號處理單元(104)、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元(105)、第一低高壓轉(zhuǎn)換單元(106)、第二低高壓轉(zhuǎn)換單元(107)、第一時分頻分復用單元(108)和第二時分頻分復用單元(109)； 第一時分頻分復用單元(108)的載波激勵信號V+與反饋控制信號復用加載至轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元(100)的第一組復用信號輸入端； 第二時分頻分復用單元(109)的載波激勵信號V—與反饋控制信號復用加載至轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元(100)的第二組復用信號輸入端； 轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元(100)的等效陀螺信號輸出端與相敏解調(diào)單元(102)的輸入端相連； 相敏解調(diào)單元(102)的解調(diào)信號輸出端作為時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置的檢測信號輸出端； 相敏解調(diào)單元(102)的解調(diào)信號輸出端還與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(103)的模擬信號輸入端相連； 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(103)的數(shù)字信號輸出端與信號處理單元(104)的輸入端相連； 信號處理單元(104)的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換單元(105)的數(shù)字信號輸入端相連； 數(shù)模轉(zhuǎn)換單元(105)的模擬信號輸出端同時與第一低高壓轉(zhuǎn)換單元(106)的低壓信號輸入端和第二低高壓轉(zhuǎn)換單元(107)的低壓信號輸入端相連； 第一低高壓轉(zhuǎn)換單元(106)的反饋信控制號輸出端與第一時分頻分復用單元(108)的反饋控制信號輸入端相連；` 第二低高壓轉(zhuǎn)換單元(107)的反饋控制信號輸出端與第二時分頻分復用單元(109)的反饋控制信號輸入端相連； 載波激勵信號r與載波激勵信號r的相位相差180°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置，其特征在于，轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元(100)包括四對差分電容和一對拾取電容，所述四對差分電容為Cl、C5 ；C2、C6 ;C3、C7 ;和C4、C8 ;所述一對拾取電容為C9、ClO ;拾取電容C9和ClO并聯(lián)； 差分電容C1、C2、C3和C4加載的復用信號為載波激勵信號V+和反饋控制信號；差分電容C5、C6、C7和C8加載的復用信號為載波激勵信號V—和反饋控制信號； 差分電容Cl復用加載載波激勵信號V+和反饋控制信號V+Λ Vx ; 差分電容C2復用加載載波激勵信號V+和反饋控制信號V+Λ Vy ; 差分電容C3復用加載載波激勵信號V+和反饋控制信號V-Λ Vx ; 差分電容C4復用加載載波激勵信號V+和反饋控制信號V-Λ Vy ; 差分電容C5復用加載載波激勵信號V—和反饋控制信號V-Λ Vx ; 差分電容C6復用加載載波激勵信號V—和反饋控制信號V-Λ Vy ; 差分電容C7復用加載載波激勵信號V—和反饋控制信號V+Λ Vx ; 差分電容CS復用加載載波激勵信號V—和反饋控制信號V+Λ Vy ; 四對差分電容的輸出端同時與并聯(lián)的一對拾取電容的輸入端相連，并聯(lián)的一對拾取電容的輸出端作為轉(zhuǎn)子式微陀螺敏感單元(100)的等效陀螺信號輸出端； 其中:ν為載波激勵信號V+、V_的等效電壓值，AVx為在X軸方向，為使轉(zhuǎn)子回到平衡位置所需施加的相對電壓值；Λ Vy為在Y軸方向，為使轉(zhuǎn)子回到平衡位置所需施加的相對電壓值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置，其特征在于，第一時分頻分復用單元(108)和第二時分頻分復用單元(109)結(jié)構(gòu)相同，均由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和求和單元組成，所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)為一組分時開關(guān)Φρ Φ2、Φ3、Φ4 ;由分時開關(guān)控制，并通過求和單元加載復用信號； 第一時分頻分復用單兀(108)中的分時開關(guān)Φρ Φ2、Φ3> Φ4分別控制差分電容Cl、C2、C3和C4的加載； 第二時分頻分復用單兀(109)中的分時開關(guān)Φρ Φ2、Φ3> Φ4分別控制差分電容C5、C6、C7和C8的加載。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述時分頻分復用的轉(zhuǎn)子式微陀螺檢測裝置，其特征在于，相敏解調(diào)單元(102)由一組Ct1-Ct4時序開關(guān)和四路相敏解調(diào)器構(gòu)成，相敏解調(diào)單元(102)將電荷電壓轉(zhuǎn)換單元(101) 輸出的信號進行解調(diào)，輸出四路位移信號。
【文檔編號】G01C19/02GK103776436SQ201410060040
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】劉曉為, 尹亮, 陳偉平, 任明遠, 張海峰, 李海, 付強 申請人:哈爾濱工業(yè)大學