有机械耦合的电容式硅微陀螺敏感信号读取

一、前言

硅微机械传感器是用半导体硅加工工艺实现的传感器。体积小使其获得广泛的应用前景。但是由于体积小，微小的绝对机械误差却产生较大的相对误差，带来运动交互干扰，即机械耦合问题。电容式硅微机械陀螺是用于测量转动角速度的传感器。由力学原理可知，由刚体转动（角速度ωe）和平动（线速度vr），可产生一正交的加速度（科利奥里加速度，科氏加速度ac）。

图1 科氏加速度
Fig. 1 Coriolis acceleration

在设计微陀螺结构时,为了提高灵敏度,往往使驱动轴和敏感轴的谐振频率尽量接近,从而增加了系统的机械耦合敏感性。由于制造工艺缺陷的存在,产生微结构质量不均匀、梁的弹性不平衡、阻尼不对称等制造误差。诸多因素致使驱动轴耦合到敏感轴的振动幅度加大,即机械耦合误差的增大,使结果产生一个偏移输出。这种耦合是制约微陀螺性能提高的关键问题之一。因此人们提出了各种结构的微陀螺抑制机械耦合。但是由于微陀螺本身的结构特点决定了机械耦合误差并不能被彻底消除。

目前从电路方面着手，解决这个问题的方案是假定敏感方向位移与驱动方向位移正交，用相关检测的方法提取敏感信号。这也就是先假定无机械耦合的理想状态，然后通过电路相移微调，零位直流补偿缓解这一问题。

对于微陀螺，以乘法器、低通滤波等模拟电路为核心相关检测器的任务是从大的背景干扰信号中高精度地分离出很小的科氏加速度敏感信息。通常背景干扰信号的幅度远大于敏感信号量程。由于模拟电路的非绝对线性，干扰信号和敏感信号都存在谐波与正负半波非对称等等问题，以乘法器、低通滤波为基础的相关检实际效果不佳，也不稳定。

本文准备从文献中已经提出的机械耦合分析出发，提出一种敏感信号的读取方法：在耦合干扰过零点采样。

二、机械耦合分析

我们以线振动微机械陀螺模型进行分析。对于理想化的（无机械耦合）微机械陀螺，在单测量自由度时，理论分析有

驱动方向（x轴）位移 （1）
敏感方向（y轴）位移 （2）

其中 ωd 为驱动角速度；

频率敏感系数；

ω0s 为敏感方向固有振动角频率