一种多轴PZT墨MEMS陀螺仪及其前端电路的制作方法

本发明涉及一种多轴PZT墨MEMS陀螺仪及其前端电路，适用于电子领域。

背景技术：

从技术上来讲，陀螺仪是一个用来测量角速度的器件。早在18世纪，有雾的时候，人们就用旋转的器件在航海中导航。在19世纪初期发明了更传统的旋转陀螺仪，法国科学家莱昂·傅科在1852年创造了陀螺仪这个术语。在19世纪晚期和20世纪初期，陀螺仪专用于船上。大约在1916年，航空中开始使用陀螺仪。今天陀螺仪也仍然广范应用于航空中。整个20世纪，旋转陀螺仪有很大的改善。20世纪60年代，利用激光的光学陀螺仪首次产生，然后很快在航空和军事应用中获得了商业成功。最近10到15年中，MEMS陀螺仪跟传统微尺寸的器件相比优势明显，被引人大量成功的产品中。

PZT型MEMS陀螺仪采用PZT板作为它的基底，跟普通振动陀螺仪相比，优势在于用更小的驱动电压即可产生可读的输出。PZT型MEMS陀螺仪在设计上是非常简单的，它比环形或音叉陀螺仪要简单很多。PZT型MEMS陀螺仪有一个压电板，它的长度和宽度远大于它的深度。板上有引线连接到6边位于硅晶圆上的腔体的薄膜上。腔体使PZT能自由的振动和变形，引线可提供驱动电压并测量输出。像其他MEMS陀螺仪一样，PZT型MEMS陀螺仪也是基于物体的振动而工作的。在这种情况下，振动物体是一个PZT薄板。这个薄板不像平板或音叉一样振动，而是厚度会随时间而振动。将交流驱动电压垂直施加于板上，利用PZT的电一机械特性来产生振动。理论上可以采用任何压电材料，但PZT有很高的压电常数，厚度的变化比较精确。当振动的板以垂直于驱动电压的轴被转动时，根据科里奥利力，在第三个垂直方向上有个电压产生，这个输出电压正比于角速度信号。

PZT型MEMS陀螺仪灵活多样。它能在两个方向上测量旋转。另外，如果驱动电压的方向可以切换，同一个器件可以在三个方向上测量旋转。其他类型的陀螺仪通常需要三个来测量三个轴上的角速度。尽管灵敏度不是太高，但由于这个器件易于和其他集成电路(Ic)芯片相结合，与其他类型的陀螺仪相比，可以控制它来做更多的事情。

技术实现要素：

本发明提出了一种多轴PZT墨MEMS陀螺仪及其前端电路，结构简单，仅用一个传感器就可以产生三个轴的角速度信号，体积小巧。另外，该类型的陀螺仪谐振频率通常也比较高，不存在音频干扰的问题，方便客户使用。基于这些特点，PZT型MEMS陀螺仪应用前景广阔，是未来MEMS陀螺仪发展的一个重要方向。

本发明所采用的技术方案是：

所述多轴PZT型MEMS陀螺仪的工作原理：当给X轴加驱动信号时，陀螺仪就会在x轴上振荡。当驱动信号的频率跟陀螺仪本身的自谐振频率近似相等时，驱动信号的幅度很小时即可维持陀螺仪以恒定的幅度振荡。我们称此时的状态为共振模式。x轴上的振荡，会在Y轴上产生形变。Y轴上的形变会产生电荷，将这些电荷检测出来，根据科里奥利力原理，我们可以得到z轴上的角速度。基于同样的道理，当给Z轴加驱动信号并且处于Z轴的共振模式时，检测由x轴形变所产生的电荷，根据科里奥利力原理，我们可以得到Y轴上的角速度。在Z共振的情况下，检测由Y轴的形变所产生的电荷，根据科里奥利力原理，我们可以得到X轴上的角速度。

所述陀螺仪的前端电路的第一级将MEMS所产生的电荷信号转化成电路可以处理的电压信号。该电压信号经过第二级电路的运算、放大和平衡处理后再送往第三级电路。第三级电路集高通滤波器和放大功能于一体。来自MEMS的电荷信号经过该前端电路的处理后，再被送往后续电路进行相位、幅度和角速度的检测等。

所述陀螺仪的前端电路的第一级电路是利用Q=C*V的原理来工作的。假定运放是理想的，并且输人电容为O，那么来自MEMS的电荷信号通过电容后将在输出端全部转换成电压信号。虽然实际运放会引入一定的误差，但运放的开环增益足够高，并且运放的输入电容跟C相比可以忽略的话，电荷到电压的转换就不会有问题。由于共振模式和检测模式时电荷的变化相差几个数量级，C取得太小，容易使运放进人饱和模式而无法正常工作；C取的太大的话，检测模式时信号会太小，对噪声要求会很高，所以需要综合考虑这些因素选择合适的C值。本发明采用的是几十个pF的电容。其中的R网路的T型结构来实现一个很大的交流电阻。

由于XlO和X20通道上存在差异，Y10和Y20通道上存在差异，第二级电路增加了平衡电路。通过调整平衡电路使得电路在共振模式且没有角速度信号输入时，检测到的角速度信号小到可以忽略的地步。这一步调整是在对系统进行校准的时候进行的。输出调整到满足系统要求时，要将此时平衡电路的数字编码写入寄存器中。由于MEMS器件本身可能不同，所以这个编码可能是不同的。该平衡电路是针对MEMS器件的非匹配性进行的校准，不会开放给客户，因此不会造成客户在使用中的困惑。平衡电路通过改变某些信号通路上的增益来实现对信号的微调。增益由10位数字信号来控制，通过改变来自X20、DX20和Y20、DY20通道的电阻值实现的。调整数字编码使得电路在没有角速度信号时检测通道上的输出接近于零。其中A1和A2是连接到X20和DX20或Y20和DY20，B1和B2连接到x通道或Y通道上差分放大器的输入端。

所述第三级电路是高通滤波器。由于信号频率在几十KHz的数量级上，我们将高通滤波器的截止频率设置为7KHz附近。该高通滤波器可以将来自前面电路的低频噪声滤除很大一部分，可以降低后续电路对噪声的要求，降低设计难度。由于检测信号比较小，x和Y通道的增益为4。Z通道上只有共振时的信号，信号比较大，所以Z通道的增益为1。

本发明的有益效果是：结构简单，仅用一个传感器就可以产生三个轴的角速度信号，体积小巧。另外，该类型的陀螺仪谐振频率通常也比较高，不存在音频干扰的问题，方便客户使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的前端电路架构图。

图2是本发明的R网络示意图。

图3是本发明的二级电路的实现形式图。

图4是本发明的平衡电路电路图。

图5是本发明的高通滤波器电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，陀螺仪的前端电路的第一级将MEMS所产生的电荷信号转化成电路可以处理的电压信号。该电压信号经过第二级电路的运算、放大和平衡处理后再送往第三级电路。第三级电路集高通滤波器和放大功能于一体。来自MEMS的电荷信号经过该前端电路的处理后，再被送往后续电路进行相位、幅度和角速度的检测等。

如图2，陀螺仪的前端电路的第一级电路是利用Q=C*V的原理来工作的。假定运放是理想的，并且输人电容为O，那么来自MEMS的电荷信号通过电容后将在输出端全部转换成电压信号。虽然实际运放会引入一定的误差，但运放的开环增益足够高，并且运放的输入电容跟C相比可以忽略的话，电荷到电压的转换就不会有问题。由于共振模式和检测模式时电荷的变化相差几个数量级，C取得太小，容易使运放进人饱和模式而无法正常工作；C取的太大的话，检测模式时信号会太小，对噪声要求会很高，所以需要综合考虑这些因素选择合适的C值。我们的设计中采用的是几十个pF的电容。其中的R网路的T型结构来实现一个很大的交流电阻。

如图3、图4，由于XlO和X20通道上存在差异，Y10和Y20通道上存在差异，第二级电路增加了平衡电路。通过调整平衡电路使得电路在共振模式且没有角速度信号输入时，检测到的角速度信号小到可以忽略的地步。这一步调整是在对系统进行校准的时候进行的。输出调整到满足系统要求时，要将此时平衡电路的数字编码写入寄存器中。由于MEMS器件本身可能不同，所以这个编码可能是不同的。该平衡电路是针对MEMS器件的非匹配性进行的校准，不会开放给客户，因此不会造成客户在使用中的困惑。平衡电路通过改变某些信号通路上的增益来实现对信号的微调。增益由10位数字信号来控制，通过改变来自X20、DX20和Y20、DY20通道的电阻值实现的。调整数字编码使得电路在没有角速度信号时检测通道上的输出接近于零。其中A1和A2是连接到X20和DX20或Y20和DY20，B1和B2连接到x通道或Y通道上差分放大器的输入端。

如图5，第三级电路是高通滤波器。由于信号频率在几十KHz的数量级上，我们将高通滤波器的截止频率设置为7KHz附近。该高通滤波器可以将来自前面电路的低频噪声滤除很大一部分，可以降低后续电路对噪声的要求，降低设计难度。由于检测信号比较小，x和Y通道的增益为4。Z通道上只有共振时的信号，信号比较大，所以Z通道的增益为1。