MEMS陀螺器件与驱动电路的相位关系研究

陈华+郭桂良+阎跃鹏+来强涛+韩荆宇

摘 要： 为了指导高性能MEMS陀螺的驱动电路设计，针对MEMS陀螺器件与外围驱动电路之间存在的“激励电压、静电力、质量块位移、检测电容变化、检测电流、检测电压”五次信号转换进行了详细研究，获得了确切的相位关系，建立传输函数模型。最终根据推得的总体相位关系，设计并实现了一款基于锁相技术的闭环驱动电路。测试结果表明，MEMS陀螺系统能在3 s内可靠起振且无振铃，稳定振荡频率为10.33 kHz，稳定振荡幅度为2.05 V。该测试结果验证了此相位关系研究的必要性与正确性，此研究同样适用于其他静电驱动、电容检测式MEMS传感器。

关键词： MEMS传感器； MEMS陀螺； 驱动电路； 接口电路； 相位关系； 锁相环

中图分类号： TN431.1?34； V241.5； TP211.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）06?0100?04

Abstract： To guide the drive circuit design of high?performance micro?electro?mechanical system （MEMS） gyroscope， five signal conversions of excitation voltage， electrostatic force， mass block displacement， detection capacitance variation， detection current， and detection voltage between MEMS gyroscope device and peripheral drive circuit are researched in detail to obtain specific phase relationships and built the transfer function model. A closed?loop drive circuit based on phaselock technique is designed and implemented. Test results show that start?up oscillation time of MEMS gyroscope system is less than 3 s without any ringing， stable oscillation frequency is 10.33 kHz， and stable oscillation amplitude is 2.05 V. These results verify the necessity and correctness of phase relationship research， which can be also applied to other MEMS sensors based on electrostatic drive and capacitance detection.

Keywords： MEMS sensor； MEMS gyroscope； drive circuit； interface circuit； phase relationship； phase?locked loop

0 引 言

相对于传统陀螺，MEMS（Micro?Electro?Mechanical System） 陀螺具有低功耗、小尺寸、低成本等优势，在宇航工业、汽车电子和消费电子等领域拥有广阔的应用价值[1]。MEMS陀螺是一种测量角速度的力学传感器，其工作前提是驱动模态能稳定振荡起来。这就需要合适的外部驱动电路[2]。而外部电路属于电学域，MEMS器件属于力学域，不同能量域之间的转换对应着信号形式的转换。在驱动电极，可以构建激励电压、力和位移的关系；在检测电极，可以构建位移、电容变化和电流的关系。外部跨阻放大器再将电流转换为电压。因此MEMS器件和外围电路间存在电压、力、位移、电容变化、电流、电压五次信号转换过程。研究这五次转换过程，推导其相位关系，对设计高性能驱动电路以及整体测控电路都极其重要。……