本發(fā)明涉及一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路，適用于電子領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

從技術(shù)上來講，陀螺儀是一個用來測量角速度的器件。早在18世紀，有霧的時候，人們就用旋轉(zhuǎn)的器件在航海中導(dǎo)航。在19世紀初期發(fā)明了更傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)陀螺儀，法國科學(xué)家萊昂·傅科在1852年創(chuàng)造了陀螺儀這個術(shù)語。在19世紀晚期和20世紀初期，陀螺儀專用于船上。大約在1916年，航空中開始使用陀螺儀。今天陀螺儀也仍然廣范應(yīng)用于航空中。整個20世紀，旋轉(zhuǎn)陀螺儀有很大的改善。20世紀60年代，利用激光的光學(xué)陀螺儀首次產(chǎn)生，然后很快在航空和軍事應(yīng)用中獲得了商業(yè)成功。最近10到15年中，MEMS陀螺儀跟傳統(tǒng)微尺寸的器件相比優(yōu)勢明顯，被引人大量成功的產(chǎn)品中。

PZT型MEMS陀螺儀采用PZT板作為它的基底，跟普通振動陀螺儀相比，優(yōu)勢在于用更小的驅(qū)動電壓即可產(chǎn)生可讀的輸出。PZT型MEMS陀螺儀在設(shè)計上是非常簡單的，它比環(huán)形或音叉陀螺儀要簡單很多。PZT型MEMS陀螺儀有一個壓電板，它的長度和寬度遠大于它的深度。板上有引線連接到6邊位于硅晶圓上的腔體的薄膜上。腔體使PZT能自由的振動和變形，引線可提供驅(qū)動電壓并測量輸出。像其他MEMS陀螺儀一樣，PZT型MEMS陀螺儀也是基于物體的振動而工作的。在這種情況下，振動物體是一個PZT薄板。這個薄板不像平板或音叉一樣振動，而是厚度會隨時間而振動。將交流驅(qū)動電壓垂直施加于板上，利用PZT的電一機械特性來產(chǎn)生振動。理論上可以采用任何壓電材料，但PZT有很高的壓電常數(shù)，厚度的變化比較精確。當(dāng)振動的板以垂直于驅(qū)動電壓的軸被轉(zhuǎn)動時，根據(jù)科里奧利力，在第三個垂直方向上有個電壓產(chǎn)生，這個輸出電壓正比于角速度信號。

PZT型MEMS陀螺儀靈活多樣。它能在兩個方向上測量旋轉(zhuǎn)。另外，如果驅(qū)動電壓的方向可以切換，同一個器件可以在三個方向上測量旋轉(zhuǎn)。其他類型的陀螺儀通常需要三個來測量三個軸上的角速度。盡管靈敏度不是太高，但由于這個器件易于和其他集成電路(Ic)芯片相結(jié)合，與其他類型的陀螺儀相比，可以控制它來做更多的事情。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種多軸PZT墨MEMS陀螺儀及其前端電路，結(jié)構(gòu)簡單，僅用一個傳感器就可以產(chǎn)生三個軸的角速度信號，體積小巧。另外，該類型的陀螺儀諧振頻率通常也比較高，不存在音頻干擾的問題，方便客戶使用?；谶@些特點，PZT型MEMS陀螺儀應(yīng)用前景廣闊，是未來MEMS陀螺儀發(fā)展的一個重要方向。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

所述多軸PZT型MEMS陀螺儀的工作原理：當(dāng)給X軸加驅(qū)動信號時，陀螺儀就會在x軸上振蕩。當(dāng)驅(qū)動信號的頻率跟陀螺儀本身的自諧振頻率近似相等時，驅(qū)動信號的幅度很小時即可維持陀螺儀以恒定的幅度振蕩。我們稱此時的狀態(tài)為共振模式。x軸上的振蕩，會在Y軸上產(chǎn)生形變。Y軸上的形變會產(chǎn)生電荷，將這些電荷檢測出來，根據(jù)科里奧利力原理，我們可以得到z軸上的角速度?；谕瑯拥牡览?，當(dāng)給Z軸加驅(qū)動信號并且處于Z軸的共振模式時，檢測由x軸形變所產(chǎn)生的電荷，根據(jù)科里奧利力原理，我們可以得到Y(jié)軸上的角速度。在Z共振的情況下，檢測由Y軸的形變所產(chǎn)生的電荷，根據(jù)科里奧利力原理，我們可以得到X軸上的角速度。

所述陀螺儀的前端電路的第一級將MEMS所產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)化成電路可以處理的電壓信號。該電壓信號經(jīng)過第二級電路的運算、放大和平衡處理后再送往第三級電路。第三級電路集高通濾波器和放大功能于一體。來自MEMS的電荷信號經(jīng)過該前端電路的處理后，再被送往后續(xù)電路進行相位、幅度和角速度的檢測等。

所述陀螺儀的前端電路的第一級電路是利用Q=C*V的原理來工作的。假定運放是理想的，并且輸人電容為O，那么來自MEMS的電荷信號通過電容后將在輸出端全部轉(zhuǎn)換成電壓信號。雖然實際運放會引入一定的誤差，但運放的開環(huán)增益足夠高，并且運放的輸入電容跟C相比可以忽略的話，電荷到電壓的轉(zhuǎn)換就不會有問題。由于共振模式和檢測模式時電荷的變化相差幾個數(shù)量級，C取得太小，容易使運放進人飽和模式而無法正常工作；C取的太大的話，檢測模式時信號會太小，對噪聲要求會很高，所以需要綜合考慮這些因素選擇合適的C值。本發(fā)明采用的是幾十個pF的電容。其中的R網(wǎng)路的T型結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)一個很大的交流電阻。

由于XlO和X20通道上存在差異，Y10和Y20通道上存在差異，第二級電路增加了平衡電路。通過調(diào)整平衡電路使得電路在共振模式且沒有角速度信號輸入時，檢測到的角速度信號小到可以忽略的地步。這一步調(diào)整是在對系統(tǒng)進行校準的時候進行的。輸出調(diào)整到滿足系統(tǒng)要求時，要將此時平衡電路的數(shù)字編碼寫入寄存器中。由于MEMS器件本身可能不同，所以這個編碼可能是不同的。該平衡電路是針對MEMS器件的非匹配性進行的校準，不會開放給客戶，因此不會造成客戶在使用中的困惑。平衡電路通過改變某些信號通路上的增益來實現(xiàn)對信號的微調(diào)。增益由10位數(shù)字信號來控制，通過改變來自X20、DX20和Y20、DY20通道的電阻值實現(xiàn)的。調(diào)整數(shù)字編碼使得電路在沒有角速度信號時檢測通道上的輸出接近于零。其中A1和A2是連接到X20和DX20或Y20和DY20，B1和B2連接到x通道或Y通道上差分放大器的輸入端。

所述第三級電路是高通濾波器。由于信號頻率在幾十KHz的數(shù)量級上，我們將高通濾波器的截止頻率設(shè)置為7KHz附近。該高通濾波器可以將來自前面電路的低頻噪聲濾除很大一部分，可以降低后續(xù)電路對噪聲的要求，降低設(shè)計難度。由于檢測信號比較小，x和Y通道的增益為4。Z通道上只有共振時的信號，信號比較大，所以Z通道的增益為1。

本發(fā)明的有益效果是：結(jié)構(gòu)簡單，僅用一個傳感器就可以產(chǎn)生三個軸的角速度信號，體積小巧。另外，該類型的陀螺儀諧振頻率通常也比較高，不存在音頻干擾的問題，方便客戶使用。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明的前端電路架構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的R網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖3是本發(fā)明的二級電路的實現(xiàn)形式圖。

圖4是本發(fā)明的平衡電路電路圖。

圖5是本發(fā)明的高通濾波器電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1，陀螺儀的前端電路的第一級將MEMS所產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)化成電路可以處理的電壓信號。該電壓信號經(jīng)過第二級電路的運算、放大和平衡處理后再送往第三級電路。第三級電路集高通濾波器和放大功能于一體。來自MEMS的電荷信號經(jīng)過該前端電路的處理后，再被送往后續(xù)電路進行相位、幅度和角速度的檢測等。

如圖2，陀螺儀的前端電路的第一級電路是利用Q=C*V的原理來工作的。假定運放是理想的，并且輸人電容為O，那么來自MEMS的電荷信號通過電容后將在輸出端全部轉(zhuǎn)換成電壓信號。雖然實際運放會引入一定的誤差，但運放的開環(huán)增益足夠高，并且運放的輸入電容跟C相比可以忽略的話，電荷到電壓的轉(zhuǎn)換就不會有問題。由于共振模式和檢測模式時電荷的變化相差幾個數(shù)量級，C取得太小，容易使運放進人飽和模式而無法正常工作；C取的太大的話，檢測模式時信號會太小，對噪聲要求會很高，所以需要綜合考慮這些因素選擇合適的C值。我們的設(shè)計中采用的是幾十個pF的電容。其中的R網(wǎng)路的T型結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)一個很大的交流電阻。

如圖3、圖4，由于XlO和X20通道上存在差異，Y10和Y20通道上存在差異，第二級電路增加了平衡電路。通過調(diào)整平衡電路使得電路在共振模式且沒有角速度信號輸入時，檢測到的角速度信號小到可以忽略的地步。這一步調(diào)整是在對系統(tǒng)進行校準的時候進行的。輸出調(diào)整到滿足系統(tǒng)要求時，要將此時平衡電路的數(shù)字編碼寫入寄存器中。由于MEMS器件本身可能不同，所以這個編碼可能是不同的。該平衡電路是針對MEMS器件的非匹配性進行的校準，不會開放給客戶，因此不會造成客戶在使用中的困惑。平衡電路通過改變某些信號通路上的增益來實現(xiàn)對信號的微調(diào)。增益由10位數(shù)字信號來控制，通過改變來自X20、DX20和Y20、DY20通道的電阻值實現(xiàn)的。調(diào)整數(shù)字編碼使得電路在沒有角速度信號時檢測通道上的輸出接近于零。其中A1和A2是連接到X20和DX20或Y20和DY20，B1和B2連接到x通道或Y通道上差分放大器的輸入端。

如圖5，第三級電路是高通濾波器。由于信號頻率在幾十KHz的數(shù)量級上，我們將高通濾波器的截止頻率設(shè)置為7KHz附近。該高通濾波器可以將來自前面電路的低頻噪聲濾除很大一部分，可以降低后續(xù)電路對噪聲的要求，降低設(shè)計難度。由于檢測信號比較小，x和Y通道的增益為4。Z通道上只有共振時的信號，信號比較大，所以Z通道的增益為1。