一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路的製作方法

2023-05-05 15:35:56

專利名稱：一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種閉環驅動電路，特別是針對微機械諧振結構的閉環驅動電路。
背景技術：
隨著微機電系統技術的發展，基於機械的諧振原理而製造的微機械諧振結構可用 於微傳感器、微制動器和微諧振器，比如諧振式壓力傳感器，振動式微機械陀螺和掃描微 鏡。其中，共電極變電容微機械諧振結構是其中一大類。該類微機械諧振結構的共同特點 是由具有一個公共電極1的一對電容或多對電容構成，參照圖1所示。通常情況下公共電 極1是可動的諧振結構，固定電極12和固定電極113作為固定結構。並且處於諧振狀態時， 由於公共電極1的振蕩，當一個電容Cl的容值增大時，另一個電容C2的容值減小。其具體 結構舉例如圖2至圖6所示。圖2所示的結構為雙端固支的梁或膜，上下振蕩，該梁或膜的兩側有固定電極；圖 3所示結構為單端固支的梁或膜，上下振蕩，該梁或膜的兩側有固定電極；圖4所示結構為 平板旋轉諧振結構，該平板繞黑點0所在的垂直於圖示剖面的軸來迴旋轉振蕩，其下側分 別有兩個分離的固定電極；圖5所示結構為梳齒驅動諧振結構，中間質量塊為諧振結構，兩 側為固定電極；圖6所示結構也為梳齒驅動諧振結構，其與圖5所示結構相比，它兩側的固 定電極是斷開的。對於微機械諧振結構，靜電力閉環驅動方式可以有效提高諧振的穩定性，將其振 蕩的頻率和幅值穩定在某一恆定的數值。2006年，中北大學李錦明在其博士學位論文「高 信噪比電容式微機械陀螺的研究」中闡述了三種AGC閉環電路原理，概括而言就是運用簡 單的減法器來實現自動增益控制。這種閉環驅動電路穩定振蕩的相位條件和增益條件相互 耦合，線性工作範圍小，調試比較困難。2006年，東南大學楊波和周百令發表在《宇航學報》 上的論文「一種改進的高精度矽微陀螺儀閉環驅動方案研究」中，提出了一種閉環增益和相 角的解耦調節，但是該方案的驅動信號為方波，引入了其他頻率分量，造成閉環諧振的穩定 性差，引入了噪聲。2009年，國防科技大學肖定邦、侯佔強等人發表在《國防科技大學學報》 上的論文「微陀螺閉環驅動方法」中提到了一種相位控制技術的微陀螺閉環驅動電路，但是 該電路也因為引入了比較器，而產生非線性的靜電力，造成閉環諧振的穩定性差，也引入了 噪聲。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術中閉環驅動電路調試過程中增益調節與相位 調節相互耦合影響，難於調試；電路信號的動態變化範圍較小，不能有效實現諧振結構閉環 自激振蕩的缺點，同時避免閉環驅動電路中引入非線性的信號，造成諧振結構的不穩定諧 振，本發明提出了一種新的用於微機械諧振結構的閉環驅動電路。本發明的技術方案是一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，由I/V轉換器 5，低通濾波器6，限幅電路7，帶通濾波器8，自動增益控制環路9，相位補償電路12和力矩器13組成。本發明的閉環驅動電路結構圖參閱圖7所示。微機械諧振結構4的電容變化引起充放電電流變化，該變化電流經I/V轉換器5 後，將電流信號轉換為電壓信號；Ι/ν轉換器5可由跨阻放大器或者電荷放大器實現；該電 壓信號經過通帶截止頻率不小於微機械諧振結構4諧振頻率的低通濾波器6後，進入限幅 電路7；限幅電路7輸出的信號進入帶通濾波器8，進行信號的選頻，濾除由限幅電路7的 限幅而引入的雜波分量；帶通濾波器8的通帶包含微機械諧振結構4的諧振頻率；選頻後 的信號進入自動增益控制環路9進行自動增益的控制；自動增益控制環路9包括可變增益 放大器10和交流/直流轉換器11 ；交流/直流轉換器11可以通過整流器加低通濾波器實 現，也可通過真有效值轉換器直接實現；可變增益放大器10輸出的信號經過交流/直流轉 換器11後，轉換的直流信號與參考電壓Vd進行比較控制可變增益放大器10的放大倍數， 從而實現自動增益的控制；自動增益控制環路9的輸出信號進入相位補償電路12，進行相 位的補償；相位補償電路12是相位超前電路或者相位延時電路；相位補償電路12的輸出 經過力矩器13反饋回來驅動微機械諧振結構4的振蕩。微機械諧振結構4，I/V轉換器5，低通濾波器6，限幅電路7，帶通濾波器8，自動增 益控制環路9，相位補償電路12，力矩器13的增益傳遞函數分別為Al，A2，A3，A4，A5，A6， A7，A8，才目■分另Ij為φ ，φ2,φ3, φ4, φ5, φ6, φ7, φ8。自動增益控制環路9，調節整個環路的增益，使其滿足微機械諧振結構4的增益起 振條件和穩定振蕩的增益平衡條件，即在該微機械諧振結構4的諧振頻率上，上電起振時T =Al ·Α2 ·Α3 ·Α4 ·Α5 ·Α6 ·Α7 ·Α8 > 1 ；穩定振蕩時，T = Al ·Α2 ·Α3 ·Α4 ·Α5 ·Α6 ·Α7 ·Α8 =1。相位補償電路12，調節整個環路的相位，使其滿足微機械諧振結構4的相位起振 條件和穩定振蕩的相位平衡條件，即在該微機械諧振結構4的諧振頻率上，上電起振時和 11 ^ii^ W^Wφ=φ 1 +φ2+φ3+φ4+φ5+φ6+φ7+φ8=2ηπ, η 力―。本發明的有益效果是本發明提出了基於限幅電路7、帶通濾波器8、自動增益控 制環路9和相位補償電路12為主要組成的交流自動增益控制閉環自激驅動方案。該閉環 驅動方案，第一，通過自動增益控制環路9調節環路的增益和通過相位補償電路12調節環 路的相位，將增益調節與相位調節分離開來，避免了增益調節與相位調節之間的耦合影響， 方便了電路的調試；第二，限幅電路7和帶通濾波器8的引入，擴大了電路的線性工作範圍， 即使I/V轉換器5檢測到很大的輸出信號，也會經過限幅電路7，將信號限制在一定的幅度 上，再通過帶通濾波器8將雜波信號濾除，使反饋回的驅動信號限制在諧振頻率處，避免了 電路中引入非線性信號，造成諧振的不穩定。


圖1是本發明所針對的微機械諧振結構電學模型示意圖；圖2是本發明所針對結構舉例的雙端固支梁或膜微機械諧振結構；圖3是本發明所針對結構舉例的單端固支梁或膜微機械諧振結構；圖4是本發明所針對結構舉例的平板旋轉微機械諧振結構；圖5是本發明所針對結構舉例的靜齒一體的梳齒驅動微機械諧振結構；圖6是本發明所針對結構舉例的靜齒斷開的梳齒驅動微機械諧振結構；
圖7是本發明閉環驅動電路結構圖；圖8是本發明實施例一閉環驅動電路結構圖；圖9是本發明實施例二閉環驅動電路結構圖；圖10是本發明實施例三閉環驅動電路結構圖；圖中 1-公共電極；2-固定電極I ；3-固定電極II ；4-微機械諧振結構；5-I/V轉換器； 6-低通濾波器；7-限幅電路；8-帶通濾波器；9-自動增益控制環路；10-可變增益放大器； 11-交流/直流轉換器；12-相位補償電路；13-力矩器；14-微機械諧振結構一 ；15-敏感 電極AI ；16-敏感電極AII ；17-驅動電極AI ；18-驅動電極AII ； 19-電荷放大器；20-單位 增益放大器；21-加法器AI ；22-反相器；23-加法器AII ；24-敏感電極B ;25_驅動電極B ； 26-加法器B ；27-微機械諧振結構二。
具體實施例方式實施例一第一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，本實施例針對的微機械諧振結構4 對應的具體結構是圖6所示靜齒斷開的梳齒驅動微機械諧振結構，圖8中將該結構抽象為 微機械諧振結構一 14，其具體實施方式
如下參閱圖8，本實施例針對微機械諧振結構一 14，它屬於公共電極1兩側的固定電極 是斷開的結構。該微機械諧振結構一 14，對應於圖1所示的電學模型，其固定電極12斷開 為敏感電極AI15和驅動電極AI17兩個電極；固定電極113斷開為敏感電極AII16和驅動 電極AII18兩個電極。由於各種機械和電學的擾動，敏感電極AI15、公共電極1間電容與敏感電極 AII16、公共電極1間電容的變化，引起上述兩個電容的充放電。該充放電電流經電荷放大 器19差分放大轉換為電壓信號。然後該電壓信號經過通帶截止頻率不小於該微機械諧振 結構一 14諧振頻率的低通濾波器6濾除高頻噪聲後，進入限幅電路7。限幅電路7具有如 下特徵限幅電路7設定限幅電壓4V，對於不超過4V的輸入信號，讓其直接通過；而對於超 過4V的輸入信號，將其限幅在士4V上。比如，限幅電路7的輸入信號為Ubp = 3sin( t)， 則限幅電路7的輸出為ULi = 3sin( t)。如果限幅電路7的輸入信號為Ubp = 5sin( t)， 則限幅電路7的輸出可表述為在_4 ( 5sin (ω t)彡4時，Uu = 5sin (ω t)；在5sin (ω t) >4時，1 = 4;在5^11(0^) 1 ；穩定振蕩時，T = Al · Α2 · A3 · Α4 · Α5 · Α6 · Α7 · Α8 = 1。對於整個系統的相移，上電起振時和穩定振蕩時 ^^9=91+92+93+94+95+96+97+98=00
實施例二 第二種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，本實施例針對的微機械諧振結構4 對應的具體結構是圖6所示靜齒斷開的梳齒驅動微機械諧振結構，圖9中將該結構抽象為 微機械諧振結構一 14，其具體實施方式
如下參閱圖9，本實施例針對微機械諧振結構一 14，它屬於公共電極1兩側的固定電極 是斷開的結構。該微機械諧振結構一 14，對應於圖1所示的電學模型，其固定電極12斷開 為敏感電極AI15和驅動電極AI17兩個電極；固定電極113斷開為敏感電極AII16和驅動 電極AII18兩個電極。首先，將直流偏置電壓Vp加在公共電極1上。由於各種機械和電學的擾動，敏感 電極ΑΙ15、公共電極1間電容與敏感電極ΑΙΙ16、公共電極1間電容的變化，引起上述兩個 電容的充放電。該充放電電流經電荷放大器19差分放大轉換為電壓信號。然後該電壓信 號經過通帶截止頻率不小於該微機械諧振結構一 14諧振頻率的低通濾波器6濾除高頻噪 聲後，進入限幅電路7。限幅電路7具有如下特徵限幅電路7設定限幅電壓3V，對於不超 過3V限幅電壓的輸入信號，讓其直接通過；而對於超過3V限幅電壓的輸入信號，將其限幅 在士3V上。信號在經過限幅電路7後可能由於幅值太大發生畸變，產生其它頻率分量；也 可能由於幅值較小，沒有發生畸變。帶通濾波器8的通帶包括微機械諧振結構一 14的諧振 頻率。限幅電路7輸出的信號進入帶通濾波器8，進行信號的選頻，濾除由限幅電路7的限 幅而引入的雜波分量。選頻後的信號進入自動增益控制環路9進行自動增益的控制。自動 增益控制環路9包括可變增益放大器10和交流/直流轉換器11。交流/直流轉換器11通 過真有效值轉換器實現。可變增益放大器10輸出的信號經過真有效值轉換器，轉換的直流 信號與參考電壓Vd進行比較控制可變增益放大器10的放大倍數，從而實現自動增益的控 制。自動增益控制環路9的輸出信號進入相位補償電路12，進行相位的補償。相位補償電 路12是相位超前電路。相位補償電路12的輸出分成兩路信號，一路經過單位增益放大器 20施加到驅動電極ΑΙΙ18 ；另一路信號經過反相器22後施加到驅動電極ΑΙ17。微機械諧振結構一 14，電荷放大器19，低通濾波器6，限幅電路7，帶通濾波器8， 自動增益控制環路9，相位補償電路12，和由單位增益放大器20、反相器22組成的力矩器 的增益分另Ij為 Al，Α2, A3, Α4, Α5, Α6, Α7, Α8，相移分另ijcpl』 φ2, φ3, φ4, φ5, φ6, φ7，φ8。 則在該微機械諧振結構一 14的諧振頻率上，系統上電起振時，整個閉環系統的增益T =Al · A2 · A3 · A4 · A5 · A6 · A7 · A8 > 1 ；穩定振蕩時，T = Al · A2 · A3 · A4 · A5 · A6 · A7 · A8 =1。對於整個系統的相移，上電起振時和穩定振蕩時都有φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+φ6+φ7+φ8=2π。實施例三
第三種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，本實施例針對的微機械諧振結構4 對應的具體結構可以是圖2至圖5所示的任一結構，圖10中將該結構抽象為微機械諧振結 構二 27，其具體實施方式
如下參閱圖10，本實施針對微機械諧振結構二 27，它屬於公共電極兩側的固定電極是 連接的結構。該微機械諧振結構二 27，對應於圖1所示的電學模型，其固定電極12是一體 的，固定電極Π3也是一體的。本實施例中，固定電極12和固定電極113分別具體化為敏 感電極Β24和驅動電極Β25。首先，微機械諧振結構二 27的公共電極1接地。由於各種機械和電學的擾動，敏 感電極Β24、公共電極1間電容的變化，引起上述兩個電極之間電容的充放電。該充放電電 流經電荷放大器19轉換為電壓信號。然後該電壓信號經過通帶截止頻率不小於該微機械 諧振結構二 27諧振頻率的低通濾波器6濾除高頻噪聲後，進入限幅電路7。限幅電路7具 有如下特徵限幅電路7設定限幅電壓5V，對於不超過5V限幅電壓的輸入信號，讓其直接 通過；而對於超過5V限幅電壓的輸入信號，將其限幅在士5V上。信號在經過限幅電路7後 可能由於幅值太大發生畸變，產生其它頻率分量；也可能由於幅值較小，沒有發生畸變。帶 通濾波器8的通帶包括了微機械諧振結構二 27的諧振頻率。限幅電路7輸出的信號進入 帶通濾波器8，進行信號的選頻，濾除由限幅電路7的限幅而引入的雜波分量。選頻後的信 號進入自動增益控制環路9進行自動增益的控制。自動增益控制環路9包括可變增益放大 器10和交流/直流轉換器11。交流/直流轉換器11通過整流器加低通濾波器實現。可變 增益放大器10輸出的信號經過交流/直流轉換器11後，轉換的直流信號與參考電壓Vd進 行比較控制可變增益放大器10的放大倍數，從而實現自動增益的控制。自動增益控制環路 9的輸出信號進入相位補償電路12，進行相位的補償。相位補償電路12是相位延時電路。 相位補償電路12與直流偏置電壓Vp經過加法器Β26相加後施加到驅動電極Β25。並且該 直流偏置電壓Vp施加在電荷放大器19的正輸入端，使其浮地，平衡敏感電極Β24和驅動電 極Β25之間的直流電壓。微機械諧振結構二 27，電荷放大器19，低通濾波器6，限幅電路7，帶通濾波 器8，自動增益控制環路9，相位補償電路12，和由加法器Β26組成的力矩器的增益 分另 Ij 為 Al，Α2, A3, Α4, Α5, Α6, Α7, Α8,相移分另ijcpl』 φ2, φ3, φ4, φ5, φ6, φ7，φ8。貝 Ij 在 該微機械諧振結構二 27的諧振頻率上，系統上電起振時，整個閉環系統的增益T = Al · Α2 · A3 · Α4 · Α5 · Α6 · Α7 · Α8 > 1 ；穩定振蕩時，T = Al · Α2 · A3 · Α4 · Α5 · Α6 · Α7 · Α8 =1。對於整個系統的相移，上電起振時和穩定振蕩時都有φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+φ6+φ7+φ8=4π。
權利要求
一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，由I/V轉換器(5)，低通濾波器(6)，限幅電路(7)，帶通濾波器(8)，自動增益控制環路(9)，相位補償電路(12)和力矩器(13)組成；微機械諧振結構(4)的電容變化引起充放電電流變化，該變化電流經I/V轉換器(5)後，將電流信號轉換為電壓信號；該電壓信號經過通帶截止頻率不小於微機械諧振結構(4)諧振頻率的低通濾波器(6)後，進入限幅電路(7)；限幅電路(7)輸出的信號進入帶通濾波器(8)，進行信號的選頻，濾除由限幅電路(7)的限幅而引入的雜波分量；帶通濾波器(8)的通帶包含微機械諧振結構(4)的諧振頻率；選頻後的信號進入自動增益控制環路(9)進行自動增益的控制；自動增益控制環路(9)包括可變增益放大器(10)和交流/直流轉換器(11)；可變增益放大器(10)輸出的信號經過交流/直流轉換器(11)後，轉換的直流信號與參考電壓Vd進行比較控制可變增益放大器(10)的放大倍數，從而實現自動增益的控制；自動增益控制環路(9)的輸出信號進入相位補償電路(12)，進行相位的補償；相位補償電路(12)是相位超前電路或者相位延時電路；相位補償電路(12)的輸出經過力矩器(13)反饋回來驅動微機械諧振結構(4)的振蕩；微機械諧振結構(4)，I/V轉換器(5)，低通濾波器(6)，限幅電路(7)，帶通濾波器(8)，自動增益控制環路(9)，相位補償電路(12)，力矩器(13)的增益傳遞函數分別為A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，相移分別為自動增益控制環路(9)，調節整個環路的增益，使其滿足微機械諧振結構(4)的增益起振條件和穩定振蕩的增益平衡條件，即在該微機械諧振結構(4)的諧振頻率上，上電起振時T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＞1；穩定振蕩時，T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＝1；相位補償電路(12)，調節整個環路的相位，使其滿足微機械諧振結構(4)的相位起振條件和穩定振蕩的相位平衡條件，即在該微機械諧振結構(4)的諧振頻率上，上電起振時和穩定振蕩時都有n為整數。FSA00000151430200011.tif,FSA00000151430200012.tif
2.一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，其特徵在於，所述的I/V轉換器(5)為跨 阻放大器或者電荷放大器。
3.一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，其特徵在於，所述的交流/直流轉換器(11)為整流器加低通濾波器或者真有效值轉換器。
4.一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，其特徵在於，當微機械諧振結構(4)為 可動電極一體，固定電極斷開結構，並且固定電極接地時，所述的力矩器(13)由單位增益 放大器(20)、加法器AI (21)、反相器(22)、加法器All (23)組成，其連接關係為從移相器(12)輸出的信號分為兩路，一路為單位增益放大器(20)和加法器AI(21)串行連接，然後施 加到驅動電極AII(18)；—路為反相器(22)和加法器AII(23)串行連接，然後施加到驅動 電極 AI(17)。
5.一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，其特徵在於，當微機械諧振結構(4)為 可動電極一體，固定電極斷開結構，並且固定電極接偏置電壓Vp時，所述的力矩器(13)由 單位增益放大器(20)和反相器(22)組成，其連接關係為從移相器(12)輸出的信號分為 兩路，一路經單位增益放大器(20)施加到驅動電極AII(18)；另一路經反相器(22)施加到 驅動電極AI(17)。
6. 一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，其特徵在於，所述的力矩器(13)由一個 加法器B (26)組成，其連接關係為從移相器(12)輸出的信號經加法器B (26)施加到驅動 電極B(25)。
全文摘要
本發明公開了一種用於微機械諧振結構的閉環驅動電路，為一種基於限幅電路7、帶通濾波器8、自動增益控制環路9和相位補償電路12為主要組成的交流自動增益控制閉環自激驅動電路。首先，通過自動增益控制環路9調節環路的增益和通過相位補償電路12調節環路的相位，將增益調節與相位調節分離開來，避免了增益調節與相位調節之間的耦合影響，方便了電路的調試；其次，限幅電路7和帶通濾波器8的引入，擴大了電路的線性工作範圍，即使I/V轉換器5檢測到很大的輸出信號，也會經過限幅電路7，將信號限制在一定的幅度上，再通過帶通濾波器8將雜波信號濾除，使反饋回的驅動信號限制在諧振頻率處，避免了電路中引入非線性信號，造成諧振的不穩定。
文檔編號H03H9/00GK101860338SQ20101019159
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月3日 優先權日2010年6月3日
發明者喬大勇, 任森, 李小卿, 王玉朝, 苑偉政, 袁廣民 申請人:西北工業大學