一種mems陀螺模態(tài)匹配電壓自動(dòng)測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自動(dòng)測(cè)試方法，特別是關(guān)于一種微機(jī)械(MEMS)陀螺模態(tài)匹配電壓自動(dòng)測(cè)試方法。
技術(shù)背景
[0002]MEMS陀螺是用微電子工藝加工的特征尺寸在微米量級(jí)的慣性器件，用于測(cè)量載體在慣性空間內(nèi)的角運(yùn)動(dòng)信息，廣泛應(yīng)用于汽車、消費(fèi)類電子等工業(yè)、民用領(lǐng)域以及戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)等軍用領(lǐng)域。
[0003]MEMS陀螺由支撐梁和質(zhì)量塊組成，多采用靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)的形式。MEMS陀螺包括兩個(gè)模態(tài):驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)。質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)力的作用下沿驅(qū)動(dòng)軸方向做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，稱為驅(qū)動(dòng)模態(tài)；當(dāng)沿著角速率輸入方向(Z軸)存在角速度信號(hào)時(shí)，由哥氏效應(yīng)產(chǎn)生的哥氏力使質(zhì)量塊在敏感軸方向產(chǎn)生振動(dòng)，稱為敏感模態(tài)。
[0004]通常，驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率小于敏感模態(tài)諧振頻率。當(dāng)驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率與敏感模態(tài)的相等時(shí)，即達(dá)到模態(tài)匹配時(shí)，陀螺的機(jī)械靈敏度達(dá)到最大，如果再進(jìn)行真空封裝達(dá)到較高的品質(zhì)因數(shù)，可使陀螺的分辨率、噪聲性能及零位漂移等得到明顯的改善。
[0005]目前，MEMS陀螺模態(tài)匹配存在兩種方法:第一種是采用物理修調(diào)，比如激光修調(diào)或者多晶硅沉淀來(lái)調(diào)節(jié)模態(tài)質(zhì)量塊的質(zhì)量進(jìn)而調(diào)節(jié)模態(tài)頻率；第二種是采用電學(xué)調(diào)節(jié)產(chǎn)生靜電負(fù)剛度調(diào)節(jié)模態(tài)剛度進(jìn)而調(diào)節(jié)模態(tài)頻率。第一種方法需要精密修調(diào)設(shè)備，成本較高，對(duì)修調(diào)人員的修調(diào)水平要求較高，修調(diào)過程時(shí)間較長(zhǎng)，效率不高，成本也過高。第二種方法由于采用電學(xué)調(diào)節(jié)，使用適當(dāng)控制電路就能完成模態(tài)匹配，能夠去除環(huán)境變化對(duì)測(cè)試的影響，簡(jiǎn)單實(shí)用。在電學(xué)調(diào)節(jié)方法中，模態(tài)匹配電壓十分關(guān)鍵，必須首先測(cè)試出模態(tài)匹配電壓才能進(jìn)行模態(tài)匹配操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種用于MEMS陀螺模態(tài)匹配電壓自動(dòng)測(cè)試方法，能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)測(cè)試不同溫度條件下的模態(tài)電壓，縮短測(cè)試時(shí)間，顯著提高測(cè)試效率。
[0008]技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明是一種MEMS陀螺模態(tài)匹配電壓自動(dòng)測(cè)試方法，所述MEMS陀螺包含兩個(gè)模態(tài)，即驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)，且敏感模態(tài)諧振頻率高于驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率；所述驅(qū)動(dòng)模態(tài)包括驅(qū)動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極；所述敏感模態(tài)包括敏感檢測(cè)電極和調(diào)諧電極；所述模態(tài)匹配電壓為當(dāng)陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)諧振頻率相等時(shí)加在調(diào)諧電極上的電壓；
[0010]其中，包括如下步驟:
[0011 ] 步驟1、在MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的驅(qū)動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極間加入驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制回路，使得所述MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)在其諧振頻率處振動(dòng)，并保持指定的恒定幅度，獲取此時(shí)的驅(qū)動(dòng)位移電壓信號(hào)Vdp ；
[0012]步驟2、將MEMS陀螺敏感模態(tài)檢測(cè)電極連接前置讀出電路，將陀螺敏感模態(tài)所產(chǎn)生的正交誤差位移變化量經(jīng)所述前置讀出電路轉(zhuǎn)換為電壓變化量，獲得陀螺敏感模態(tài)的正交誤差電壓信號(hào)Vsp ；
[0013]步驟3、通過調(diào)節(jié)輸入至陀螺敏感模態(tài)的控制量VT，使得所述驅(qū)動(dòng)位移電壓信號(hào)Vdp和所述正交誤差電壓信號(hào)Vsp的相位差為0，得到此時(shí)的控制量Vt為模態(tài)匹配電壓。
[0014]如上所述的一種MEMS陀螺模態(tài)匹配電壓自動(dòng)測(cè)試方法，其中，在步驟3中，所述驅(qū)動(dòng)位移電壓信號(hào)Vdp和所述正交誤差電壓信號(hào)Vsp同時(shí)輸入至鑒相器，獲得表示相位差的直流電壓信號(hào)Vtoe ;將所述相位差作為被控量輸入至控制器得到誤差控制量VT，再將所述誤差控制量Vt反饋輸入至敏感模態(tài)調(diào)諧電極，形成閉環(huán)反饋回路；當(dāng)所述相位差通過上述閉環(huán)反饋回路達(dá)到O時(shí)，驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率和敏感模態(tài)諧振頻率相等，達(dá)到模態(tài)匹配狀態(tài)，所述誤差控制量Vt即為模態(tài)匹配電壓；所述控制器的控制算法采用PID控制。
[0015]有益效果
[0016]本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，其具有下述優(yōu)點(diǎn):能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)測(cè)試不同環(huán)境溫度下的模態(tài)匹配電壓；測(cè)試環(huán)路采用閉環(huán)反饋控制，無(wú)需頻繁調(diào)試、換線等操作，顯著縮短了人工調(diào)節(jié)方法的測(cè)試時(shí)間，提高效率，簡(jiǎn)單實(shí)用。本發(fā)明適用于MEMS陀螺模態(tài)匹配電壓自動(dòng)測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是MEMS陀螺在模態(tài)未匹配條件下的頻率響應(yīng)曲線；
[0018]圖2是MEMS陀螺在模態(tài)匹配條件下的頻率響應(yīng)曲線；
[0019]圖3是MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)閉環(huán)控制回路示意圖；
[0020]圖4是MEMS陀螺模態(tài)匹配電壓測(cè)試示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下，結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0023]本發(fā)明所述MEMS陀螺包含兩個(gè)模態(tài)，即驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)(又稱檢測(cè)模態(tài))，且敏感模態(tài)諧振頻率高于驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率；所述驅(qū)動(dòng)模態(tài)包括驅(qū)動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極；所述敏感模態(tài)包括敏感檢測(cè)電極和調(diào)諧電極；所述模態(tài)匹配電壓為當(dāng)陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)諧振頻率相等時(shí)加在調(diào)諧電極上的電壓。
[0024]如圖1和圖2為MEMS陀螺在模態(tài)未匹配和模態(tài)匹配條件下的頻率響應(yīng)曲線，當(dāng)MEMS陀螺模態(tài)在未匹配條件下時(shí)，由于敏感模態(tài)諧振頻率高于驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率，與MEMS陀螺模態(tài)在匹配條件下相比，未匹配時(shí)敏感模態(tài)增益要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于匹配時(shí)的。
[0025]本發(fā)明實(shí)例用于MEMS陀螺模態(tài)匹配電壓自動(dòng)測(cè)試方法的實(shí)施步驟如下:
[0026]I)在MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的驅(qū)動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極間加入驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制回路，所述MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)在其諧振頻率處振動(dòng)，并保持恒定幅度，獲取驅(qū)動(dòng)位移電壓信號(hào)Vdp ;
[0027]如圖3所示，MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)I包括驅(qū)動(dòng)電極12、諧振結(jié)構(gòu)11和驅(qū)動(dòng)模態(tài)檢測(cè)電極13三個(gè)部分。諧振結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)力Fd作用下，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模態(tài)檢測(cè)電極輸出驅(qū)動(dòng)位移X，所述驅(qū)動(dòng)位移