专利名称：微机械－电子系统技术固态角速率陀螺的制作方法
技术领域：
本实用新型内容属于惯性测量器件技术领域，涉及一种用于测量角速率的陀螺(亦称角速率传感器)，其产品可广泛用于导弹控制、地质勘探、工业测控、航空飞行器稳定控制、捷联惯导、汽车自动驾驶及机器人控制等行业领域。
背景技术：
目前在上述各行业领域中普遍使用的角速率陀螺(角速率传感器)绝大部分都是机械式的，如液浮或半液浮、挠性有旋转马达的角速率陀螺等，这些老式角速率陀螺在实际应用中存在的突出缺点是体积大、价格昂贵、易损坏、耐冲击加速度低、寿命短、测量范围小(最大仅500°/s)、频响低(最多为100HZ)以及多不具备自检测(Self-Test)功能等。在以上各项缺点中体积大，限制了产品的安装和应用；价格昂贵(多数在2万元以上)，使一般用户难以承受；易损坏是由于老式角速率陀螺都有高速旋转的马达和高精密的框架，这些转动部分容易损坏；耐冲击加速度低的原因在于旋转马达属不易受冲击的精密器件，而内在的敏感元件(pick-off)受到较大冲击后，会移位，影响精度；寿命短主要因可动部分的磨损所致；而自检测(Self-Test)功能的缺失则意味着在使用机械式角速率陀螺的控制系统中将无法实现机内检测BIT(Built-in-Test)功能。即使是光纤或激光陀螺也由于其价格昂贵及体积大等原因而很难得到广泛的应用。
实用新型内容本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种结构性能实用合理、操作方便、体积小、重量轻、造价低、应用范围广的微机械-电子系统技术固态角速率陀螺。
用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的所提供的微机械-电子系统技术固态角速率陀螺由采用微机械-电子系统(MEMS)技术的芯片构成的敏感电路、信号处理器、主放大器以及零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器、带宽扩展器组成，敏感电路的输出端经信号处理器接至主放大器的输入端，零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器和带宽扩展器相并联，其共同输出端接至主放大器的输入端。
本实用新型所述的角速率陀螺属于无旋转马达的固态角速率传感器，它的内部电路工作构件采用微机械-电子系统(MEMS)技术的芯片，其制造采用双极型金属氧化物半导体(BIMOS)技术的生产工艺和球形网格排列的载流焊工艺技术，产品具有高可靠性和高封装坚固性，并具备自检测功能，能够实现机内检测(BIT)。此外，本实用新型设置了零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器、带宽扩展器，使产品具有零偏置校准、温漂补偿、宽的测量范围和带宽以及非线性纠正功能，同时也使之具有宽范围的工作温度、体积小、重量轻和耐高冲击加速度的特点。
图1为本实用新型的设计原理框图。
图2为本实用新型一个具体实施例的电路原理图。
图3为零偏置控制器的设计原理框图。
图4为零偏置控制器的电气线路图。
图5为非线性纠正器的设计原理框图。
图6为非线性纠正器的电气线路图。
图7为量程扩展器的设计原理框图。
图8为量程扩展器的电气线路图。
图9为温漂补偿器的设计原理框图。
图10为温漂补偿器的电气线路图。
图11为带宽扩展器的设计原理框图。
图12为带宽扩展器的电气线路图。
具体实施方式
参见附图，本实用新型所述的微机械-电子系统技术固态角速率陀螺由敏感电路I、信号处理器6、主放大器10以及零偏置控制器7、非线性纠正器8、量程扩展器9、温漂补偿器11、带宽扩展器12等部分组成。其中敏感电路I的输出端经信号处理器6接至主放大器10的输入端，零偏置控制器7、非线性纠正器8、量程扩展器9、温漂补偿器11和带宽扩展器12这五个电路的输出端也均接至主放大器10的输入端。该装置的敏感电路I由离散控制器1、ST接口电路2、敏感器3、谐振器4和激励器5组成，离散控制器1和激励器5的输出端分别通过ST接口电路2和谐振器4接至敏感器3的输入端，敏感器3的输出端与信号处理器6的输入端联接。在图2所示的实际电路中，敏感电路I中的敏感器3由型号为PO-XRS的敏感器件芯片和型号为LTC2053的集成芯片构成，PO-XRS的输入端接角速率输入信号ωin，谐振器4由两只型号为LTC2053的芯片相互串联形成，激励器5由型号为REG711-5的充电泵调节器构成；信号处理器6由型号为LB8207的芯片构成；主放大器10由型号为LTC2053的集成芯片构成。
图3～图12所示的各功能电路的结构组成及工作形式分别如下所述。
零偏置控制器7由主放大器7c、输入回路7a、标准回路7b、反馈回路7d和运算器7e组成，其中主放大器7c的输入端与输入回路7a的输出端联接，主放大器7c的输出信号可分流至反馈回路7d和运算器7e的输入端，运算器7e输出端经标准回路7b后与反馈回路7d输出端一道回接至主放大器7c的输入端。在图4所示的实际工作电路中，输入回路7a由电阻R1、R2和电容C1组成，主放大器7c由型号为LTC2053的芯片构成，运算器7e由型号为LM339的芯片构成，标准回路7b由电阻R3和电子开关K组成，反馈回路7d由电阻R4构成。零偏置控制器7的设置可以使每个产品性能有差异的不同芯片的零偏置一致，达到2.5±0.1V，便于用户的使用。
非线性纠正器8由主放大器8d、输入回路8a、纠正器8b、反馈回路8e和运算器8c组成，其中主放大器8d的输入端与输入回路8a的输出端联接，主放大器8d的输出信号可分流至反馈回路8e和运算器8c的输入端，运算器8c输出端与反馈回路8e输出端再回接至主放大器8d的输入端，纠正器8b输出端接运算器8c的输入端。在图6所示的实际工作电路中，输入回路8a由电阻R5、R6和电容C2组成，主放大器8d由型号为LTC2053的集成芯片构成，运算器8c由型号为LM339的芯片构成，反馈回路8e由电阻R7构成，纠正器8b由型号为ADUC816的微转换器芯片构成。非线性纠正器8的设置可以使产品在要求非线性指标很小的场合下使用，以充分满足用户的要求。
量程扩展器9由主放大器9c、输入回路9a、扩展回路9b和反馈回路9d组成，其中主放大器9c的输入端与输入回路9a的输出端联接，主放大器9c的输出信号可分流至反馈回路9d和扩展回路9b的输入端，扩展回路9b输出端再与反馈回路9d输出端一道回接至主放大器9c的输入端。在图8所示的实际工作电路中，输入回路9a由电阻R8、R9和电容C3组成，主放大器9c由型号为LTC2053的芯片构成，扩展回路9b由电阻Rx1构成，反馈回路9d由电阻R10构成。通过量程扩展器9的设置可以使该产品的测量范围在5°/s～50000°/s可�。阌没Р煌饬糠段У囊�。
固态角速率陀螺的弱点是对温度比较敏感，容易产生随温度漂移，为消除这种漂移，本实用新型特设置有温漂补偿器11对输出随温度的漂移进行补偿，以使正常输出值不受因温度变化而产生的不良影响。这种温漂补偿器11由输入回路11a、主放大器11b、运算器11c、温度传感器11d、恒流源11e、差动放大器11f和反馈回路11g构成，其中主放大器11b的输入端与输入回路11a的输出端联接，主放大器11b的输出信号端与恒流源11e的输出端均接至差动放大器11f的输入端，差动放大器11f的反馈输出端依次经反馈回路11g和运算器11c后回接至主放大器11b的输入端，温度传感器11d的输出端经运算器11c后接至主放大器11b的输入端。在图10所示的实际工作电路中，输入回路11a由电阻R11、R12和电容C4组成，主放大器11b由型号为LTC2053的集成芯片构成，运算器11c由型号为LM339的集成芯片构成，温度传感器11d由PTAT型集成芯片构成，恒流源11e由电阻R13、稳压二极管D和三极管T组成，差动放大器11f由型号为AD623的集成芯片构成，反馈回路11g由电阻R14构成。实际使用中，该温漂补偿器11可在-45℃～+85℃的温度范围内进行补偿，其中温度范围中的-45℃是本产品的独特温度。
带宽扩展器12由主放大器12c、输入回路12a、扩展器12b和反馈回路12d组成，其中主放大器12c的输入端与输入回路12a的输出端联接，主放大器12c的输出信号可分流至反馈回路12d和扩展器12b的输入端，扩展器12b输出端再与反馈回路12d输出端一道回接至主放大器12c的输入端。在图12所示的实际工作电路中，输入回路12a由电阻R15、R16和电容C5组成，主放大器12c由型号为LTC2053的芯片构成，扩展器12b由电容Cx/C6构成，反馈回路12d由电阻R17/Rx2构成。带宽扩展器12的设置可使产品的带宽从≤40HZ扩展为41HZ～500HZ，这样就使产品的使用范围更加宽阔。
本实用新型产品的外形尺寸为28×28×12.8mm3，不带机械外壳的外形尺寸为20.3×20.3×8mm3；带机械外壳的重量是26克，不带机械外壳的重量只有6克，体积�。亓壳�。此外，该产品在不供电、任何轴、0.5ms条件下，可承受2000g的冲击加速度；在供电、任何轴、0.5ms条件下，可承受1000g的冲击加速度，耐冲击加速度指标大大优于本领域已有的同类技术产品。
权利要求1.一种微机械-电子系统技术固态角速率陀螺，其特征在于它由采用微机械-电子系统技术的芯片构成的敏感电路(I)、信号处理器(6)、主放大器(10)以及零偏置控制器(7)、非线性纠正器(8)、量程扩展器(9)、温漂补偿器(11)、带宽扩展器(12)组成，敏感电路(I)的输出端经信号处理器(6)接至主放大器(10)的输入端，零偏置控制器(7)、非线性纠正器(8)、量程扩展器(9)、温漂补偿器(11)和带宽扩展器(12)相并联，其共同输出端接至主放大器(10)的输入端。
2.如权利要求1所述的微机械-电子系统技术固态角速率陀螺，其特征在于所说的敏感电路(I)由离散控制器(1)、ST接口电路(2)、敏感器(3)、谐振器(4)和激励器(5)组成，离散控制器(1)和激励器(5)的输出端分别通过ST接口电路(2)和谐振器(4)接至敏感器(3)的输入端，敏感器(3)的输出端与信号处理器(6)的输入端联接。
3.如权利要求1所述的微机械-电子系统技术固态角速率陀螺，其特征在于所说的零偏置控制器(7)由主放大器(7c)、输入回路(7a)、标准回路(7b)、反馈回路(7d)和运算器(7e)组成，其中主放大器(7c)的输入端与输入回路(7a)的输出端联接，主放大器(7c)的输出信号可分流至反馈回路(7d)和运算器(7e)的输入端，运算器(7e)输出端经标准回路(7b)后与反馈回路(7d)输出端一道回接至主放大器(7c)的输入端。
4.如权利要求1所述的微机械-电子系统技术固态角速率陀螺，其特征在于所说的非线性纠正器(8)由主放大器(8d)、输入回路(8a)、纠正器(8b)、反馈回路(8e)和运算器(8c)组成，其中主放大器(8d)的输入端与输入回路(8a)的输出端联接，主放大器(8d)的输出信号可分流至反馈回路(8e)和运算器(8c)的输入端，运算器(8c)输出端与反馈回路(8e)输出端再回接至主放大器(8d)的输入端，纠正器(8b)输出端接运算器(8c)的输入端。
5.如权利要求1所述的微机械-电子系统技术固态角速率陀螺，其特征在于所说的量程扩展器(9)由主放大器(9c)、输入回路(9a)、扩展回路(9b)和反馈回路(9d)组成，其中主放大器(9c)的输入端与输入回路(9a)的输出端联接，主放大器(9c)的输出信号可分流至反馈回路(9d)和扩展回路(9b)的输入端，扩展回路(9b)输出端再与反馈回路(9d)输出端一道回接至主放大器(9c)的输入端。
6.如权利要求1所述的微机械-电子系统技术固态角速率陀螺，其特征在于所说的温漂补偿器(11)由输入回路(11a)、主放大器(11b)、运算器(11c)、温度传感器(11d)、恒流源(11e)、差动放大器(11f)和反馈回路(11g)构成，其中主放大器(11b)的输入端与输入回路(11a)的输出端联接，主放大器(11b)的输出信号端与恒流源(11e)的输出端均接至差动放大器(11f)的输入端，差动放大器(11f)的反馈输出端依次经反馈回路(11g)和运算器(11c)后回接至主放大器(11b)的输入端，温度传感器(11d)的输出端经运算器(11c)后接至主放大器(11b)的输入端。
7.如权利要求1所述的微机械-电子系统技术固态角速率陀螺，其特征在于所说的带宽扩展器(12)由主放大器(12c)、输入回路(12a)、扩展器(12b)和反馈回路(12d)组成，其中主放大器(12c)的输入端与输入回路(12a)的输出端联接，主放大器(12c)的输出信号可分流至反馈回路(12d)和扩展器(12b)的输入端，扩展器(12b)输出端再与反馈回路(12d)输出端一道回接至主放大器(12c)的输入端。
专利摘要本实用新型涉及一种用于导弹控制、地质勘探、工业测控、飞行器稳定控制、捷联惯导、汽车自动驾驶等领域中测量角速率的陀螺，由采用微机械－电子系统技术的芯片构成的敏感电路、信号处理器、主放大器及零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器、带宽扩展器组成，敏感电路的输出端经信号处理器接至主放大器的输入端，零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器和带宽扩展器相并联，其输出端接至主放大器输入端。产品具有高可靠性和高封装坚固性，并具备自检测功能，能够实现检测，另产品还具有零偏置校准、温漂补偿、宽的测量范围和带宽及非线性纠正功能，更兼有宽范围的工作温度、体积小、重量轻和耐高冲击加速度的特点。
文档编号G01C19/5776GK2783330SQ20042004223
公开日2006年5月24日 申请日期2004年7月23日 优先权日2004年7月23日
发明者谷荣祥, 张志英, 何永革, 董红娟, 金皖田 申请人:西安中星测控有限责任公司
