專利名稱：微機(jī)械－電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本

發(fā)明內(nèi)容
屬于慣性測(cè)量器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于測(cè)量角速率的陀螺(亦稱角速率傳感器)，其產(chǎn)品可廣泛用于導(dǎo)彈控制、地質(zhì)勘探、工業(yè)測(cè)控、航空飛行器穩(wěn)定控制、捷聯(lián)慣導(dǎo)、汽車自動(dòng)駕駛及機(jī)器人控制等行業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前在上述各行業(yè)領(lǐng)域中普遍使用的角速率陀螺(角速率傳感器)絕大部分都是機(jī)械式的，如液浮或半液浮、撓性有旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的角速率陀螺等，這些老式角速率陀螺在實(shí)際應(yīng)用中存在的突出缺點(diǎn)是體積大、價(jià)格昂貴、易損壞、耐沖擊加速度低、壽命短、測(cè)量范圍小(最大僅500°/s)、頻響低(最多為100HZ)以及多不具備自檢測(cè)(Self-Test)功能等。在以上各項(xiàng)缺點(diǎn)中體積大，限制了產(chǎn)品的安裝和應(yīng)用；價(jià)格昂貴(多數(shù)在2萬(wàn)元以上)，使一般用戶難以承受；易損壞是由于老式角速率陀螺都有高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)和高精密的框架，這些轉(zhuǎn)動(dòng)部分容易損壞；耐沖擊加速度低的原因在于旋轉(zhuǎn)馬達(dá)屬不易受沖擊的精密器件，而內(nèi)在的敏感元件(pick-off)受到較大沖擊后，會(huì)移位，影響精度；壽命短主要因可動(dòng)部分的磨損所致；而自檢測(cè)(Self-Test)功能的缺失則意味著在使用機(jī)械式角速率陀螺的控制系統(tǒng)中將無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)檢測(cè)BIT(Built-in-Test)功能。即使是光纖或激光陀螺也由于其價(jià)格昂貴及體積大等原因而很難得到廣泛的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題加以解決，進(jìn)而提供一種結(jié)構(gòu)性能實(shí)用合理、操作方便、體積小、重量輕、造價(jià)低、應(yīng)用范圍廣的微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺。
用于實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是這樣的所提供的微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺由采用微機(jī)械-電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的芯片構(gòu)成的敏感電路、信號(hào)處理器、主放大器以及零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴(kuò)展器、溫漂補(bǔ)償器、帶寬擴(kuò)展器組成，敏感電路的輸出端經(jīng)信號(hào)處理器接至主放大器的輸入端，零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴(kuò)展器、溫漂補(bǔ)償器和帶寬擴(kuò)展器相并聯(lián)，其共同輸出端接至主放大器的輸入端。
本發(fā)明所述的角速率陀螺屬于無(wú)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的固態(tài)角速率傳感器，它的內(nèi)部電路工作構(gòu)件采用微機(jī)械-電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的芯片，其制造采用雙極型金屬氧化物半導(dǎo)體(BIMOS)技術(shù)的生產(chǎn)工藝和球形網(wǎng)格排列的載流焊工藝技術(shù)，產(chǎn)品具有高可靠性和高封裝堅(jiān)固性，并具備自檢測(cè)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)內(nèi)檢測(cè)(BIT)。此外，本發(fā)明設(shè)置了零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴(kuò)展器、溫漂補(bǔ)償器、帶寬擴(kuò)展器，使產(chǎn)品具有零偏置校準(zhǔn)、溫漂補(bǔ)償、寬的測(cè)量范圍和帶寬以及非線性糾正功能，同時(shí)也使之具有寬范圍的工作溫度、體積小、重量輕和耐高沖擊加速度的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理框圖。
圖2為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的電路原理圖。
圖3為零偏置控制器的設(shè)計(jì)原理框圖。
圖4為零偏置控制器的電氣線路圖。
圖5為非線性糾正器的設(shè)計(jì)原理框圖。
圖6為非線性糾正器的電氣線路圖。
圖7為量程擴(kuò)展器的設(shè)計(jì)原理框圖。
圖8為量程擴(kuò)展器的電氣線路圖。
圖9為溫漂補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)原理框圖。
圖10為溫漂補(bǔ)償器的氣器線路圖。
圖11為帶寬擴(kuò)展器的設(shè)計(jì)原理框圖。
圖12為帶寬擴(kuò)展器的電氣線路圖。
具體實(shí)施例方式
參見附圖，本發(fā)明所述的微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺由敏感電路I、信號(hào)處理器6、主放大器10以及零偏置控制器7、非線性糾正器8、量程擴(kuò)展器9、溫漂補(bǔ)償器11、帶寬擴(kuò)展器12等部分組成。其中敏感電路I的輸出端經(jīng)信號(hào)處理器6接至主放大器10的輸入端，零偏置控制器7、非線性糾正器8、量程擴(kuò)展器9、溫漂補(bǔ)償器11和帶寬擴(kuò)展器12這五個(gè)電路的輸出端也均接至主放大器10的輸入端。該裝置的敏感電路I由離散控制器1、ST接口電路2、敏感器3、諧振器4和激勵(lì)器5組成，離散控制器1和激勵(lì)器5的輸出端分別通過(guò)ST接口電路2和諧振器4接至敏感器3的輸入端，敏感器3的輸出端與信號(hào)處理器6的輸入端聯(lián)接。在圖2所示的實(shí)際電路中，敏感電路I中的敏感器3由型號(hào)為PO-XRS的敏感器件芯片和型號(hào)為L(zhǎng)TC2053的集成芯片構(gòu)成，PO-XRS的輸入端接角速率輸入信號(hào)ωin，諧振器4由兩只型號(hào)為L(zhǎng)TC2053的芯片相互串聯(lián)形成，激勵(lì)器5由型號(hào)為REG711-5的充電泵調(diào)節(jié)器構(gòu)成；信號(hào)處理器6由型號(hào)為L(zhǎng)B8207的芯片構(gòu)成；主放大器10由型號(hào)為L(zhǎng)TC2053的集成芯片構(gòu)成。
圖3～圖12所示的各功能電路的結(jié)構(gòu)組成及工作形式分別如下所述。
零偏置控制器7由主放大器7c、輸入回路7a、標(biāo)準(zhǔn)回路7b、反饋回路7d和運(yùn)算器7e組成，其中主放大器7c的輸入端與輸入回路7a的輸出端聯(lián)接，主放大器7c的輸出信號(hào)可分流至反饋回路7d和運(yùn)算器7e的輸入端，運(yùn)算器7e輸出端經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)回路7b后與反饋回路7d輸出端一道回接至主放大器7c的輸入端。在圖4所示的實(shí)際工作電路中，輸入回路7a由電阻R1、R2和電容C1組成，主放大器7c由型號(hào)為L(zhǎng)TC2053的芯片構(gòu)成，運(yùn)算器7e由型號(hào)為L(zhǎng)M339的芯片構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)回路7b由電阻R3和電子開關(guān)K組成，反饋回路7d由電阻R4構(gòu)成。零偏置控制器7的設(shè)置可以使每個(gè)產(chǎn)品性能有差異的不同芯片的零偏置一致，達(dá)到2.5±0.1V，便于用戶的使用。
非線性糾正器8由主放大器8d、輸入回路8a、糾正器8b、反饋回路8e和運(yùn)算器8c組成，其中主放大器8d的輸入端與輸入回路8a的輸出端聯(lián)接，主放大器8d的輸出信號(hào)可分流至反饋回路8e和運(yùn)算器8c的輸入端，運(yùn)算器8c輸出端與反饋回路8e輸出端再回接至主放大器8d的輸入端，糾正器8b輸出端接運(yùn)算器8c的輸入端。在圖6所示的實(shí)際工作電路中，輸入回路8a由電阻R5、R6和電容C2組成，主放大器8d由型號(hào)為L(zhǎng)TC2053的集成芯片構(gòu)成，運(yùn)算器8c由型號(hào)為L(zhǎng)M339的芯片構(gòu)成，反饋回路8e由電阻R7構(gòu)成，糾正器8b由型號(hào)為ADUC816的微轉(zhuǎn)換器芯片構(gòu)成。非線性糾正器8的設(shè)置可以使產(chǎn)品在要求非線性指標(biāo)很小的場(chǎng)合下使用，以充分滿足用戶的要求。
量程擴(kuò)展器9由主放大器9c、輸入回路9a、擴(kuò)展回路9b和反饋回路9d組成，其中主放大器9c的輸入端與輸入回路9a的輸出端聯(lián)接，主放大器9c的輸出信號(hào)可分流至反饋回路9d和擴(kuò)展回路9b的輸入端，擴(kuò)展回路9b輸出端再與反饋回路9d輸出端一道回接至主放大器9c的輸入端。在圖8所示的實(shí)際工作電路中，輸入回路9a由電阻R8、R9和電容C3組成，主放大器9c由型號(hào)為L(zhǎng)TC2053的芯片構(gòu)成，擴(kuò)展回路9b由電阻Rx1構(gòu)成，反饋回路9d由電阻R10構(gòu)成。通過(guò)量程擴(kuò)展器9的設(shè)置可以使該產(chǎn)品的測(cè)量范圍在5°/s～50000°/s可選，滿足用戶不同測(cè)量范圍的要求。
固態(tài)角速率陀螺的弱點(diǎn)是對(duì)溫度比較敏感，容易產(chǎn)生隨溫度漂移，為消除這種漂移，本發(fā)明特設(shè)置有溫漂補(bǔ)償器11對(duì)輸出隨溫度的漂移進(jìn)行補(bǔ)償，以使正常輸出值不受因溫度變化而產(chǎn)生的不良影響。這種溫漂補(bǔ)償器11由輸入回路11a、主放大器11b、運(yùn)算器11c、溫度傳感器11d、恒流源11e、差動(dòng)放大器11f和反饋回路11g構(gòu)成，其中主放大器11b的輸入端與輸入回路11a的輸出端聯(lián)接，主放大器11b的輸出信號(hào)端與恒流源11e的輸出端均接至差動(dòng)放大器11f的輸入端，差動(dòng)放大器11f的反饋輸出端依次經(jīng)反饋回路11g和運(yùn)算器11c后回接至主放大器11b的輸入端，溫度傳感器11d的輸出端經(jīng)運(yùn)算器11c后接至主放大器11b的輸入端。在圖10所示的實(shí)際工作電路中，輸入回路11a由電阻R11、R12和電容C4組成，主放大器11b由型號(hào)為L(zhǎng)TC2053的集成芯片構(gòu)成，運(yùn)算器11c由型號(hào)為L(zhǎng)M339的集成芯片構(gòu)成，溫度傳感器11d由PTAT型集成芯片構(gòu)成，恒流源11e由電阻R13、穩(wěn)壓二極管D和三極管T組成，差動(dòng)放大器11f由型號(hào)為AD623的集成芯片構(gòu)成，反饋回路11g由電阻R14構(gòu)成。實(shí)際使用中，該溫漂補(bǔ)償器11可在-45℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，其中溫度范圍中的-45℃是本產(chǎn)品的獨(dú)特溫度。
帶寬擴(kuò)展器12由主放大器12c、輸入回路12a、擴(kuò)展器12b和反饋回路12d組成，其中主放大器12c的輸入端與輸入回路12a的輸出端聯(lián)接，主放大器12c的輸出信號(hào)可分流至反饋回路12d和擴(kuò)展器12b的輸入端，擴(kuò)展器12b輸出端再與反饋回路12d輸出端一道回接至主放大器12c的輸入端。在圖12所示的實(shí)際工作電路中，輸入回路12a由電阻R15、R16和電容C5組成，主放大器12c由型號(hào)為L(zhǎng)TC2053的芯片構(gòu)成，擴(kuò)展器12b由電容Cx/C6構(gòu)成，反饋回路12d由電阻R17/Rx2構(gòu)成。帶寬擴(kuò)展器12的設(shè)置可使產(chǎn)品的帶寬從≤40HZ擴(kuò)展為41HZ～500HZ，這樣就使產(chǎn)品的使用范圍更加寬闊。
本發(fā)明產(chǎn)品的外形尺寸為28×28×12.8mm3，不帶機(jī)械外殼的外形尺寸為20.3×20.3×8mm3；帶機(jī)械外殼的重量是26克，不帶機(jī)械外殼的重量只有6克，體積小，重量輕。此外，該產(chǎn)品在不供電、任何軸、0.5ms條件下，可承受2000g的沖擊加速度；在供電、任何軸、0.5ms條件下，可承受1000g的沖擊加速度，耐沖擊加速度指標(biāo)大大優(yōu)于本領(lǐng)域已有的同類技術(shù)產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺，其特征在于它由采用微機(jī)械-電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的芯片構(gòu)成的敏感電路(I)、信號(hào)處理器(6)、主放大器(10)以及零偏置控制器(7)、非線性糾正器(8)、量程擴(kuò)展器(9)、溫漂補(bǔ)償器(11)、帶寬擴(kuò)展器(12)組成，敏感電路(I)的輸出端經(jīng)信號(hào)處理器(6)接至主放大器(10)的輸入端，零偏置控制器(7)、非線性糾正器(8)、量程擴(kuò)展器(9)、溫漂補(bǔ)償器(11)和帶寬擴(kuò)展器(12)相并聯(lián)，其共同輸出端接至主放大器(10)的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺，其特征在于所說(shuō)的敏感電路(I)由離散控制器(1)、ST接口電路(2)、敏感器(3)、諧振器(4)和激勵(lì)器(5)組成，離散控制器(1)和激勵(lì)器(5)的輸出端分別通過(guò)ST接口電路(2)和諧振器(4)接至敏感器(3)的輸入端，敏感器(3)的輸出端與信號(hào)處理器(6)的輸入端聯(lián)接。
3.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺，其特征在于所說(shuō)的零偏置控制器(7)由主放大器(7c)、輸入回路(7a)、標(biāo)準(zhǔn)回路(7b)、反饋回路(7d)和運(yùn)算器(7e)組成，其中主放大器(7c)的輸入端與輸入回路(7a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(7c)的輸出信號(hào)可分流至反饋回路(7d)和運(yùn)算器(7e)的輸入端，運(yùn)算器(7e)輸出端經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)回路(7b)后與反饋回路(7d)輸出端一道回接至主放大器(7c)的輸入端。
4.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺，其特征在于所說(shuō)的非線性糾正器(8)由主放大器(8d)、輸入回路(8a)、糾正器(8b)、反饋回路(8e)和運(yùn)算器(8c)組成，其中主放大器(8d)的輸入端與輸入回路(8a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(8d)的輸出信號(hào)可分流至反饋回路(8e)和運(yùn)算器(8c)的輸入端，運(yùn)算器(8c)輸出端與反饋回路(8e)輸出端再回接至主放大器(8d)的輸入端，糾正器(8b)輸出端接運(yùn)算器(8c)的輸入端。
5.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺，其特征在于所說(shuō)的量程擴(kuò)展器(9)由主放大器(9c)、輸入回路(9a)、擴(kuò)展回路(9b)和反饋回路(9d)組成，其中主放大器(9c)的輸入端與輸入回路(9a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(9c)的輸出信號(hào)可分流至反饋回路(9d)和擴(kuò)展回路(9b)的輸入端，擴(kuò)展回路(9b)輸出端再與反饋回路(9d)輸出端一道回接至主放大器(9c)的輸入端。
6.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺，其特征在于所說(shuō)的溫漂補(bǔ)償器(11)由輸入回路(11a)、主放大器(11b)、運(yùn)算器(11c)、溫度傳感器(11d)、恒流源(11e)、差動(dòng)放大器(11f)和反饋回路(11g)構(gòu)成，其中主放大器(11b)的輸入端與輸入回路(11a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(11b)的輸出信號(hào)端與恒流源(11e)的輸出端均接至差動(dòng)放大器(11f)的輸入端，差動(dòng)放大器(11f)的反饋輸出端依次經(jīng)反饋回路(11g)和運(yùn)算器(11c)后回接至主放大器(11b)的輸入端，溫度傳感器(11d)的輸出端經(jīng)運(yùn)算器(11c)后接至主放大器(11b)的輸入端。
7.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械-電子系統(tǒng)技術(shù)固態(tài)角速率陀螺，其特征在于所說(shuō)的帶寬擴(kuò)展器(12)由主放大器(12c)、輸入回路(12a)、擴(kuò)展器(12b)和反饋回路(12d)組成，其中主放大器(12c)的輸入端與輸入回路(12a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(12c)的輸出信號(hào)可分流至反饋回路(12d)和擴(kuò)展器(12b)的輸入端，擴(kuò)展器(12b)輸出端再與反饋回路(12d)輸出端一道回接至主放大器(12c)的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于導(dǎo)彈控制、地質(zhì)勘探、工業(yè)測(cè)控、飛行器穩(wěn)定控制、捷聯(lián)慣導(dǎo)、汽車自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域中測(cè)量角速率的陀螺，由采用微機(jī)械－電子系統(tǒng)技術(shù)的芯片構(gòu)成的敏感電路、信號(hào)處理器、主放大器及零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴(kuò)展器、溫漂補(bǔ)償器、帶寬擴(kuò)展器組成，敏感電路的輸出端經(jīng)信號(hào)處理器接至主放大器的輸入端，零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴(kuò)展器、溫漂補(bǔ)償器和帶寬擴(kuò)展器相并聯(lián)，其輸出端接至主放大器輸入端。產(chǎn)品具有高可靠性和高封裝堅(jiān)固性，并具備自檢測(cè)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)內(nèi)檢測(cè)，另產(chǎn)品還具有零偏置校準(zhǔn)、溫漂補(bǔ)償、寬的測(cè)量范圍和帶寬及非線性糾正功能，更兼有寬范圍的工作溫度、體積小、重量輕和耐高沖擊加速度的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C19/56GK1725020SQ20041002635
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2004年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者谷榮祥, 張志英, 何永革, 董紅娟, 金皖田 申請(qǐng)人:西安中星測(cè)控有限責(zé)任公司