谷留濤， 張衛(wèi)平， 劉朝陽， 田夢(mèng)雅， 成宇翔

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微米/納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；3.上海航天控制技術(shù)研究所慣性工程技術(shù)研究中心，上海201109）

0 引言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，微慣性技術(shù)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中占有著越來越重要的位置。作為微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中測(cè)量角度和角速度的核心部件，微陀螺在軍事制導(dǎo)、航空航天、汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)機(jī)械陀螺，微陀螺采用微加工技術(shù)，具有功耗低、性能高、成本低、可靠性高、體積小、可批量加工等優(yōu)點(diǎn)。按照檢測(cè)方式，微陀螺可被劃分為電容式陀螺、壓阻式陀螺、壓電式陀螺、光學(xué)陀螺和隧道陀螺等。

在MEMS微半球諧振陀螺系統(tǒng)中，由于陀螺的尺寸較小，其對(duì)溫度、濕度等外界環(huán)境的變化比較敏感，因而其性能受環(huán)境的影響較大。目前，微加工工藝還不能實(shí)現(xiàn)微陀螺的完全對(duì)稱性和均勻性，因此微半球陀螺器件的性能很難達(dá)到理想狀態(tài)。為了保證微半球陀螺系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和精度，微半球諧振陀螺的電路系統(tǒng)同樣面臨著很多挑戰(zhàn)。為了減小環(huán)境對(duì)陀螺性能的影響，需要溫度補(bǔ)償電路對(duì)外界溫度變化做出一定的補(bǔ)償；為了彌補(bǔ)加工工藝的不足，需要正交補(bǔ)償電路、模態(tài)匹配電路對(duì)陀螺的對(duì)稱性和均勻性做出補(bǔ)償；為了保證陀螺具有較好的工作表現(xiàn)，需要使外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率嚴(yán)格鎖定于工作模態(tài)的中心頻率上，且陀螺輸出信號(hào)幅值恒定。與此同時(shí)，由于微半球陀螺信號(hào)為微弱信號(hào)，故而需要采用微弱信號(hào)采集技術(shù)和反饋技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，并且通過解調(diào)控制算法得到輸出信號(hào)。因此，為保證微半球諧振陀螺系統(tǒng)達(dá)到理想的工作狀態(tài)，相應(yīng)的前置電路系統(tǒng)及相關(guān)的控制解調(diào)算法至關(guān)重要。由于數(shù)字電路已成為如今發(fā)展的趨勢(shì)，接口電路的轉(zhuǎn)換精度成為了影響陀螺性能的重要因素之一。因此，Sigma-delta調(diào)制器也成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

1 基本測(cè)控電路

作為微陀螺電路測(cè)控系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，最早的控制檢測(cè)方案是簡(jiǎn)單模擬開環(huán)驅(qū)動(dòng)的直接檢測(cè)方案。圖1給出了一種最早的開環(huán)方案的原理圖，其實(shí)現(xiàn)原理為直接給陀螺的2個(gè)驅(qū)動(dòng)電極施加與陀螺工作頻率相等、幅度不變的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其中，施加到2個(gè)電極的信號(hào)相位相反，無反饋控制。信號(hào)通過 C/V轉(zhuǎn)換和并放大，在與之前的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)后輸出檢測(cè)結(jié)果。

圖1 模擬開環(huán)測(cè)控電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of analog open-loop measurement and control circuit

在開環(huán)模式下，微半球陀螺系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單。但是，微半球陀螺系統(tǒng)在電路開環(huán)模式下的缺點(diǎn)也是非常明顯的。首先，開環(huán)控制電路沒有反饋環(huán)路，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，微半球陀螺工作模態(tài)的中心頻率會(huì)發(fā)生偏移，而驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終保持著固定幅值和頻率的電壓信號(hào)，這必然導(dǎo)致微半球陀螺性能的下降。其次，由于制造缺陷，微半球陀螺并沒有理論上的對(duì)稱性和均勻性，因此需要控制電路對(duì)其給予一定的補(bǔ)償。由于在開環(huán)模式下微半球陀螺的性能無法得到保障，因此，閉環(huán)測(cè)控電路成為了微半球陀螺測(cè)控電路的研究重點(diǎn)。

隨著數(shù)字電路技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理能力越來越強(qiáng)，越來越多的模擬電路功能可以通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。早期的微陀螺數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)，通常使用DSP芯片來實(shí)現(xiàn)其功能。與DSP相比，F(xiàn)PGA是一種集成了數(shù)百萬個(gè)數(shù)字邏輯元件的高性能器件。即使在低功耗和快速并行處理的情況下，它也可以執(zhí)行更為復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷和測(cè)量控制功能。2016年，上海交通大學(xué)提出了一種在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的力反饋模式下的微半球諧振陀螺數(shù)字式閉環(huán)控制檢測(cè)方案［1］，其原理框圖如圖2所示。

圖2 上海交通大學(xué)數(shù)字測(cè)控電路原理框圖Fig.2 Block diagram of digital measurement and control circuit developed by Shanghai Jiao Tong University

與力平衡模式相比，全角度模式可以直接測(cè)量角度，可以有效避免力平衡模式因時(shí)間加分而引起的角度誤差。此外，全角度模式還具有無限的檢測(cè)帶寬和滿量程范圍。2014年，美國(guó)密西根大學(xué)設(shè)計(jì)了一種鳥巢型的微諧振陀螺的全角度數(shù)字化測(cè)控電路［2］，此電路同樣適用于微半球諧振陀螺，其原理框架如圖3所示。此電路由2個(gè)鎖相環(huán)、1個(gè)解調(diào)模塊、1個(gè)參數(shù)計(jì)算器、PI控制器和1個(gè)調(diào)制器模塊組成，這些模塊使用FPGA、片外電路和Labview組合配置而成，其測(cè)試結(jié)果得到了700（°）/s的滿量程范圍。

圖3 美國(guó)密西根大學(xué)全角度測(cè)控電路框架圖Fig.3 Frame diagram of full-angle measurement and control circuit developed by University of Michigan

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Sigma-delta

作為從模擬域到數(shù)字域的高分辨率轉(zhuǎn)換器，基于Sigma-delta調(diào)制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器受到了越來越多的關(guān)注。通過相對(duì)較小的修改，它們還可以用作電容式MEMS慣性傳感器的機(jī)電力反饋接口，這種接口能夠以相對(duì)適中的電路成本結(jié)合力反饋和模數(shù)轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)。Sigma-delta調(diào)制器的特性在于其過采樣和噪聲整形，其可以有效降低通帶內(nèi)的噪聲，從而提高檢測(cè)信號(hào)在數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換中的信噪比。Sigma-delta ADC具有功耗低、精度高、靈活性高和易于在專用集成電路中實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)的Sigma-delta調(diào)制系統(tǒng)可以顯著提高讀出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，并且有效抑制由于工藝誤差導(dǎo)致的性能衰減問題。

2012年，英國(guó)南安普頓大學(xué)給出了一種新型的高階連續(xù)時(shí)間力反饋帶通機(jī)械電子Sigma-delta調(diào)制器（EMΣΔM）控制系統(tǒng)［3］。 該系統(tǒng)可用于微半球振動(dòng)陀螺的檢測(cè)模態(tài)，其穩(wěn)定性和性能主要取決于所選擇的架構(gòu)，以及拾取電路和信號(hào)路徑中各種增益的選擇。2018年，蘇州大學(xué)提出了一種在模態(tài)匹配條件下的雙量化橫軸電容式機(jī)電Σ-Δ調(diào)制器（EM-ΣAM）振動(dòng)陀螺［4］， 其原理框圖如圖 4所示。EM-ΣAM接口環(huán)路采用四階多路反饋和本地諧振器ΣAM噪聲整形結(jié)構(gòu)，利用了單環(huán)調(diào)制器中的單比特和多比特量化。為了評(píng)估量化噪聲的影響，比較了多比特量化器的各種比特?cái)?shù)，并計(jì)算了最佳比特?cái)?shù)。

圖4 四階EM-ΣAM調(diào)制器Fig.4 Fourth-order EM-ΣAM modulator

2.2 模態(tài)匹配

當(dāng)微半球陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)具有相同的諧振頻率（模態(tài)匹配）時(shí)，陀螺的機(jī)械靈敏度和信噪比可以得到有效的提高［5］。然而，由于制造缺陷的影響，很難通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使兩種模態(tài)的諧振頻率達(dá)到完全匹配。因此，通常采用平板電容器結(jié)構(gòu)的負(fù)剛度靜電效應(yīng)和在平板電極施加直流電壓來改變模態(tài)頻率，從而實(shí)現(xiàn)模態(tài)匹配。

模態(tài)匹配方法一般可被分為2種：一次匹配和實(shí)時(shí)匹配。一次匹配又可分為手動(dòng)調(diào)整和一次性自動(dòng)匹配。手動(dòng)調(diào)整方式通過掃描調(diào)諧電壓來執(zhí)行手動(dòng)調(diào)節(jié)以確定調(diào)諧電壓值，但是該過程耗時(shí)長(zhǎng)且穩(wěn)定性差。一次性自動(dòng)匹配主要基于陀螺振動(dòng)模態(tài)下的幅頻和相頻特性來完成。2014年，中東技術(shù)大學(xué)利用陀螺中殘余的正交信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)了諧振模態(tài)下的頻率匹配［6］。2008年，佐治亞理工學(xué)院利用殘余零速率輸出（ZRO）的幅度完成了微陀螺的模態(tài)匹配［7］。 當(dāng)微陀螺正交歸零時(shí)，總是存在ZRO。當(dāng)模態(tài)匹配時(shí)，該信號(hào)的幅度最大化，因此其可以被用作微陀螺模態(tài)匹配的指標(biāo)。一次匹配方法只有當(dāng)調(diào)諧電壓固定且在模態(tài)匹配之后切斷匹配環(huán)路時(shí)才能測(cè)量角速率，因此這些方法無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的模態(tài)匹配。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，陀螺模態(tài)的頻率分裂隨著環(huán)境參數(shù)的變化而變化。因此，一次性匹配不能滿足要求。

實(shí)時(shí)匹配主要可被分為外力法和系統(tǒng)補(bǔ)償法。外力法在檢測(cè)模態(tài)上施加外部負(fù)載并檢測(cè)其響應(yīng)信息以實(shí)現(xiàn)模態(tài)匹配。2018年，蘇州大學(xué)通過在檢測(cè)模態(tài)上施加相移45°的附加力信號(hào)獲得了相位度量，并使用該相位度量通過比例積分（PI）控制器調(diào)節(jié)了調(diào)諧電壓，最終實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)模態(tài)匹配［8］，其結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。系統(tǒng)補(bǔ)償方法可以根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境的變化自適應(yīng)地調(diào)整檢測(cè)模態(tài)頻率。2015年，北京大學(xué)提出了一種基于改進(jìn)模糊算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的微陀螺，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)實(shí)時(shí)模態(tài)匹配控制的方法［9］。在改進(jìn)的模糊控制系統(tǒng)中，只需要8s即可實(shí)現(xiàn)智能模態(tài)匹配。此外，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，在-40℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了不匹配誤差＜0.32Hz。與一次匹配相比，誤差性能提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

圖5 相移45°附加力解調(diào)（45°AFD-RM）控制系統(tǒng)框架Fig.5 Frame of phase-shift 45°additional force demodulation （45°AFD-RM）control system

2.3 正交補(bǔ)償

正交誤差是指陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)位移與檢測(cè)模態(tài)的直接耦合，這種誤差的來源不容易識(shí)別和控制，但是制造缺陷被認(rèn)為是正交誤差的主要產(chǎn)生原因。由于目前的微制造技術(shù)無法制造具有完全正交驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)的陀螺，因此正交誤差是不可避免的。

目前，正交補(bǔ)償方法主要包括以下幾種：激光修整、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電學(xué)補(bǔ)償。2018年，國(guó)防科技大學(xué)利用飛秒激光技術(shù)提出了一種基于質(zhì)量和剛度擾動(dòng)的微陀螺正交補(bǔ)償方法［10］。這種方法可以實(shí)現(xiàn)微殼體諧振陀螺質(zhì)量的微調(diào)，但其價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜。2012年，中東技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種正交誤差補(bǔ)償電路，如圖6所示。該系統(tǒng)通過向傳感器的機(jī)械電極施加差分直流（DC）電位，來消除正交誤差［11］。首先，對(duì)陀螺檢測(cè)模態(tài)的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并將得到的整流信號(hào)通過低通濾波器（LPF）以獲得正交信號(hào)的幅度信息。然后，將正交幅度與0進(jìn)行比較，并將誤差輸出饋送到PI控制器，PI控制器產(chǎn)生直流電位ΔV差分應(yīng)用于正交電極。正交消除電極的結(jié)構(gòu)固有地將這些直流電位調(diào)制到驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率，產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)器位移精確同相的適當(dāng)?shù)恼幌Α?/p>

圖6 中東技術(shù)大學(xué)的正交誤差補(bǔ)償電路Fig.6 Quadrature error compensation circuit developed by Middle East Technical University

2.4 溫度補(bǔ)償

MEMS陀螺大多由硅加工制造而成。硅是一種高溫敏感材料，其物理特性隨環(huán)境溫度而變化很大，同時(shí)其結(jié)構(gòu)中的機(jī)械熱噪聲也會(huì)影響陀螺的性能。過去，已有很多機(jī)構(gòu)對(duì)MEMS陀螺性能與溫度的關(guān)系做出了大量的研究。2005年，加利福尼亞理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究表明，驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)諧振頻率與溫度呈線性關(guān)系［12］。2006年，哈爾濱工程大學(xué)采用線性振動(dòng)陀螺的架構(gòu)模型分析了緩慢變化的溫度對(duì)驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)的幅度和相位的影響［13］。2007年，Joo等人描述了溫度對(duì)陀螺封裝的影響［14］。2010年，馬里蘭大學(xué)設(shè)計(jì)了從-25℃～125℃的不同角速率的溫度實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)重復(fù)了500次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)MEMS陀螺在長(zhǎng)時(shí)間的熱循環(huán)中工作時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生顯著的角速度漂移［15］。目前，用于提高陀螺溫度特性的方法包括以下幾種：結(jié)構(gòu)補(bǔ)償、材料補(bǔ)償、軟件算法補(bǔ)償和溫度控制。

2018年，劉吉利等人提出了一種基于半球陀螺自身諧振頻率的自補(bǔ)償方法［16］，其架構(gòu)如圖7所示。該方案在原有陀螺測(cè)控電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)溫度補(bǔ)償模塊，該模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)，主要包括陀螺諧振頻率檢測(cè)和陀螺零偏溫度建模2個(gè)子模塊。經(jīng)過測(cè)試，該方案使得陀螺的溫度穩(wěn)定性提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖7 自補(bǔ)償方案架構(gòu)Fig.7 Architecture of self-compensation scheme

3 結(jié)論

本文研究了微半球陀螺測(cè)控電路技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探究。目前，大多數(shù)測(cè)控系統(tǒng)均采用了數(shù)字和模擬相結(jié)合、閉環(huán)驅(qū)動(dòng)、開/閉環(huán)檢測(cè)的方式。為了彌補(bǔ)制造缺陷及適應(yīng)環(huán)境變化，測(cè)控系統(tǒng)還需要正交補(bǔ)償、模態(tài)匹配和溫度補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的支持。

未來，微半球陀螺測(cè)控電路中數(shù)字測(cè)控部分所占的比例會(huì)越來越高，但微半球陀螺測(cè)控電路不可能完全拋離模擬電路。因?yàn)橐雇勇莓a(chǎn)生的微弱電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電路可以處理的數(shù)字信號(hào)，必須要有模擬電路對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，全角度模式因其無限的檢測(cè)帶寬和滿量程范圍也成為了最近研究的熱點(diǎn)。Sigma-delta電路的發(fā)展可以進(jìn)一步提高陀螺數(shù)據(jù)采集的精度，正交補(bǔ)償和模態(tài)匹配技術(shù)的發(fā)展對(duì)提高微半球陀螺的性能起著關(guān)鍵作用，實(shí)時(shí)匹配和自校準(zhǔn)技術(shù)目前已在微半球陀螺測(cè)控電路中得到了應(yīng)用。利用陀螺自身參數(shù)設(shè)計(jì)的外圍溫度補(bǔ)償電路的應(yīng)用，擺脫了陀螺對(duì)溫度傳感器的依賴，可以簡(jiǎn)化微半球陀螺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高微半球陀螺對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。