发明专利技术公开了一种面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法，属于微机电系统设计领域。该方法通过建立参数之间的关联，给出一套从陀螺精度指标出发，考虑精度，电路噪声，带宽，灵敏度，谐振频率，品质因数，机械噪声，寄生电容，反馈电容，电容分辨率，驱动位移，激励电压等参数，以中心电容为结束的完整设计流程，为硅微机械陀螺的精度设计提供指导方法。本专利通过建立参数之间的关联，克服硅微机械陀螺参数复杂、多样的特点对设计者造成的困扰，完成面向精度的陀螺系统参数设计。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种硅微机械陀螺的设计方法,尤其涉及一种面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法，属于微机电系统设计领域。
技术介绍
陀螺是一种用来测量物体旋转角速率的惯性器件，在导航制导、深空探测、平台稳定控制、汽车工业、消费电子等领域具有重要的应用。精度是评价硅微机械陀螺性能最重要的指标，因此，面向精度的硅微机械陀螺设计方法具有重要意义。然而，硅微机械陀螺驱动模态与敏感模态之间的机械振动相互耦合、电检测信号极其微弱且相互耦合以及存在多个复杂的闭环控制电路，且参数多样，如：精度、系统噪声、系统灵敏度、接口电路噪声、机械噪声、电路增益、电容分辨率、有效品质因数、机械灵敏度、寄生电容、反馈电容、等效电压噪声、等效电流噪声、机械带宽、中心电容、驱动位移、谐振频率、品质因数等，使得面向精度的硅微机械陀螺设计过程尤其复杂且不易实现。目前，已公开的文献报道中还没有面向精度的硅微机械陀螺系统参数设计方法相关研究。
技术实现思路
为克服硅微机械陀螺参数复杂、多样的特点对设计者造成困扰，本专利技术提出一种面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法。通过建立参数之间的关联，给出一套从陀螺精度指标出发，考虑精度，电路噪声，带宽，灵敏度，谐振频率，品质因数，机械噪声，寄生电容，反馈电容，电容分辨率，驱动位移，激励电压等参数，以中心电容为结束的完整设计流程，为硅微机械陀螺的精度设计提供指导方法。本专利技术提出的面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法流程图是：参考图1。本专利技术提出的面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法为：第一步，根据实际应用需求的陀螺精度BS、带宽BW，确定陀螺谐振频率fd，通常2kHz<fd<20kHz，再根据公式(1)计算有效品质因数Qeff，进一步，根据公式(2)推导得出品质因数Qs，此时Qs为陀螺系统设计需要的最小品质因数；再通过表达式(3)获得机械噪声MNEΩ，其中，X为驱动模态振动位移且满足表达式(4)，ls0为梳齿重叠长度，KB为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，ms为陀螺振动质量，通常，10-8kg<ms<10-6kg；Qeff=fd2BW---(1)]]>Qeff=1(1-(2π(fd+BW))2(2πfd)2)2+1Qs2(2π(fd+BW)2πfd)2---(2)]]>MNEΩ=1804π2XQeffBWKB·T·2π(fd+BW)msQs---(3)]]>14ls0<X<34ls0---(4)]]>第二步，根据应用需求的系统灵敏度SF以及表达式(5)，得到系统噪声VT；再根据电路增益G，通常100<G<1000，以及表达式(6)得到接口电路电压噪声Vn；进一步，由接口电路阻抗特性表达式(7)得到接口电路电流噪声In，其中，Rf为接口电路电荷放大器的反馈电阻，通常，100MΩ≤Rf≤200MΩ，Cf和Cλ分别为接口电路电荷放大器的反馈电阻、寄生电容，通常，1pF≤Cf≤5pF，2pF<Cλ<7pF；VT=BS×SFBW---(5)]]>Vn=VTG---(6)]]>In2=Vn2·((2πfd)2·(Cλ2+Cf2)+1Rf2)---(7)]]>第三步，根据表达式(8)，得到接口电路等效噪声ENEΩ，其中，Vp为接口电路输入端电压有效值，通常1V≤Vp≤10V，Cs0为陀螺的中心电容；通过比较MNEΩ和ENEΩ，增大Cs0，直到MNEΩ≤ENEΩ<100×MNEΩ；ENEΩ=90ls0πVpX·InQeffCs0---(8)]]>最后，根据器件层厚度h，通常，2×10-5m<h<1×10-4m，加工能获得的最小线宽d，通常1.5×10-6m<d<4×10-6m，根据表达式(9)，获得陀螺设计应达到的梳齿对数N，再根据表达式(10)，设计陀螺振动质量的边长L。到此，面向精度的陀螺系统参数全部确定。Cs0=N·ϵ·ls0·hd---(9)]]>ms＝ρ·L2·h(10)本专利技术的有益效果是：通过建立参数之间的关联，克服硅微机械陀螺参数复杂、多样的特点对设计者造成的困扰，完成面向精度的陀螺系统参数设计。下面结合图和实施例对本发明进一步说明。附图说明图1是实施例中面向精度设计的陀螺系统参数获取方法流程图。具体实施方式本实施例中给出了一种面向精度设计的陀螺系统参数获取方法，该实施例中的设计流程为：第一步，根据实际应用需求，需要设计精度为0.015°/s的硅微机械陀螺，其中应用的带宽BW需求为19Hz，驱动频率fd为3531Hz，那么根据公式(1)，计算得有效品质因数Qeff为93；再根据公式(2)推导得出品质因数Qs为8100且是系统设计需求的最小品质因数；此时，驱动位移X取值为6×10-6m，根据表达式(4)，梳齿重叠长度ls0设计为1×10-5m，玻尔兹曼常数KB为1.38×10-23J/K，开尔文T设置为室温298K，陀螺振动质量ms设置为4.5×10-7kg，满足振动质量的取值范围，再通过表达式(3)计算得机械噪声MNEΩ为6.3×10-5°/s/√Hz；第二步，根据实际应用需求，需要的系统灵敏度SF为15mV/°/s，根据表达式(5)计算得系统噪声VT为5.1×10-5°/s/√Hz，此时，取电路增益G为600，根据表达式(6)计算得接口电路电压噪声Vn为8.6×10-8V/√Hz；再根据接口电路阻抗特性可知，Rf取值为150MΩ，Cf取值为5pF，Cλ取值为4pF，由表达式(7)计算得到接口电路电流噪声In为1.2×10-14A/√Hz；第三步，根据表达式(8)计算获得接口电路等效噪声ENEΩ为1.1×10-3°/s/√Hz，其中，接口电路输入电压有效值Vp为3.5V，中心电容Cs0设计值为2pF；比较MNEΩ和ENEΩ可知，ENEΩ小于100倍的MNEΩ，符合设计要求；最后，器件层厚度h为2.5×10-5m，加工能获得的最小线宽d为3×10-6m，根据表达式(9)，得到陀螺设计的梳齿对数N为1367，介电常数ε为8.85×10-12F/m；再根据表达式(10)以及前面要求的振动质量ms，计算得陀螺振动质量的边长L为2.8×10-3m。到此，陀螺系统参数设计值完全确定，获得了精度为0.015°/s的硅微机械陀螺。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法，其特征在于，主要包括如下步骤：第一步，根据实际应用需求的陀螺精度BS、带宽BW，确定陀螺谐振频率fd，通常2kHz<fd<20kHz，再根据公式(1)计算有效品质因数Qeff，进一步，根据公式(2)推导得出品质因数Qs，此时Qs为陀螺系统设计需要的最小品质因数；再通过表达式(3)获得机械噪声MNEΩ，其中，X为驱动模态振动位移且满足表达式(4)，ls0为梳齿重叠长度，KB为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，ms为陀螺振动质量，通常，10‑8kg<ms<10‑6kg；第二步，根据应用需求的系统灵敏度SF以及表达式(5)，得到系统噪声VT；再根据电路增益G，通常100<G<1000，以及表达式(6)得到接口电路电压噪声Vn；进一步，由接口电路阻抗特性表达式(7)得到接口电路电流噪声In，其中，Rf为接口电路电荷放大器的反馈电阻，通常，100MΩ≤Rf≤200MΩ，Cf和Cλ分别为接口电路电荷放大器的反馈电阻、寄生电容，通常，1pF≤Cf≤5pF，2pF<Cλ<7pF；第三步，根据表达式(8)，得到接口电路等效噪声ENEΩ，其中，Vp为接口电路输入端电压有效值，通常1V≤Vp≤10V，Cs0为陀螺的中心电容；通过比较MNEΩ和ENEΩ，增大Cs0，直到MNEΩ≤ENEΩ<100×MNEΩ；最后，根据器件层厚度h，通常，2×10‑5m<h<1×10‑4m，加工能获得的最小线宽d，通常1.5×10‑6m<d<4×10‑6m，根据表达式(9)，获得陀螺设计应达到的梳齿对数N，再根据表达式(10)，设计陀螺振动质量的边长L；到此，面向精度的陀螺系统参数全部确定。ms＝ρ·L2·h (10)。...
【技术特征摘要】
1.一种面向精度设计的硅微机械陀螺系统参数获取方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
第一步，根据实际应用需求的陀螺精度BS、带宽BW，确定陀螺谐振频率fd，通常2kHz<fd<20kHz，再根据公式(1)计算有效品质因数Qeff，进一步，根据公式(2)推导得出品质因数Qs，此时Qs为陀螺系统设计需要的最小品质因数；再通过表达式(3)获得机械噪声MNEΩ，其中，X为驱动模态振动位移且满足表达式(4)，ls0为梳齿重叠长度，KB为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，ms为陀螺振动质量，通常，10-8kg<ms<10-6kg；
第二步，根据应用需求的系统灵敏度SF以及表达式(5)，得到系统噪声VT；再根据电路增益G，通常100<G<1000，以及表达式(6)得到接口电路电压噪声Vn；进一步，由接口电路阻抗特性表达式(7)得到接口电路电流噪声In...
【专利技术属性】
技术研发人员：苑伟政，申强，谢建兵，常洪龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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