IEEE MEMS2025 | MEMS陀螺仪温度性能研究及分析

逍遥设计自动化

引言
3 l7 C- s7 X5 T/ c# V, wMEMS陀螺仪在消费电子和汽车系统等多个领域获得广泛应用。这类器件通过检测旋转物体运动时产生的科里奥利力来测量角速度。MEMS陀螺仪设计中的主要挑战之一是管理温度引起的漂移，特别是零速率输出（ZRO）的漂移。本文探讨温度对陀螺仪性能的影响机理，并讨论包括自动正交补偿（AQC）在内的解决方案[1]。

mhzd32nsyxf64026543540.png

( h; A. ?( o+ `' y3 h

s5upsfcjp0i64026543641.png

图1展示了尺寸为(3.8x2.2)mm2的线性四质量传感器及其驱动和检测模式。该器件在工作时的频率约为30.7 kHz，分频400 Hz。驱动模式和检测模式的品质因数分别为6000和1300。
  m: m$ z% u( D7 e# @1 e" u; {# M
+ b$ R- H$ a1 F; K1
* V! \0 H3 ]5 |2 N% z& M基本工作原理
幅度调制MEMS陀螺仪的工作原理依赖于驱动模式和检测模式之间的相互作用。当系统旋转时，驱动运动在检测轴上产生表观力。电子线路随后检测检测框架的位移。输出信号经过解调和滤波以提取速率信息。在理想条件下，解调参考信号的相位和频率与检测信号完全匹配。
, \$ }; ~% o8 w- S) h. D

s0xpb0mh3mk64026543742.png

图2显示了用于驱动控制、检测读出、解调和可选AQC实现的混合信号电子系统的框图和实物实现。

2
温度效应和测量方法
0 C3 `4 \6 p( e* P' b研究温度对陀螺仪性能的影响需要仔细测量几个关键参数。测量设置主要关注三个方面：正交分量、机械驱动频率传递和ZRO输出。这些测量在有无AQC正交补偿的情况下都进行。
) X6 M/ B, r2 X! r

i5xwawfgise64026543842.png

- K/ \# Y& p& G: y  F$ Q图3演示了正交分量的提取方法，显示在禁用正交补偿机制时ZRO如何随解调相位误差变化。
% ]# f# m5 p! Y" G* j& a8 j

hvqnifnhetj64026543943.png

图4展示了不同温度下正交提取的结果，显示了同一器件在四次重复温度循环中的平均测量值。
, a- x2 Z+ D: C4 C
3 K* ?5 E+ |/ l3
: I' t, H6 J/ j' i性能分析和建模
温度效应分析涉及系统的机械和电气方面。驱动频率显示出明显的温度依赖性，这影响着系统的整体性能。开环驱动传递函数提供了温度如何影响系统行为的重要信息。

fhsn12ybh4v64026544043.png

图5显示了不同温度条件下的开环驱动传递函数幅度和相位，揭示了由寄生电容引起的反峰值，该电容随温度变化。

3l1kmrtelhl64026544143.png

图6显示了机械驱动频率随温度的变化，测量结果与文献中的理论预测相符。

4
结果和验证
% k- |! W2 N  R6 U- E- H  ^实验结果验证了理论模型对启用和禁用AQC配置的预测。测量结果表明，根据工作架构的不同，漂移机制也不相同。

l3n2vuh4wq364026544243.png

图7展示了禁用AQC时四次温度扫描的平均值，显示开发的模型预测实验结果的误差在30%以内。

1214waqfi5v64026544344.png

; k' X/ G# {6 C) y4 }6 _0 v$ D/ L图8显示了启用AQC时四次温度扫描的平均输出，展示了正交补偿如何影响系统的温度响应。
- w$ {& ]( {2 S/ _6 U
5
7 e: g" j$ T+ d3 Y  s5 E9 T结论
& \8 h# X6 h" K, W) b对MEMS陀螺仪温度效应的综合分析揭示了理解和补偿热漂移的重要性。该模型通过考虑正交行为和寄生效应，成功预测了输出变化。AQC的实施在减少温度引起的漂移方面效果显著，尽管由于相位误差和灵敏度波动仍存在一些残余效应。这种理解有助于改进陀螺仪在不同温度条件下的性能。
6 K+ `) z- E% Q. h* \# {
实验验证证实，数学模型能以合理的精度预测输出变化，这对消费级传感器和高端应用都具有实用价值。这些发现有助于开发更稳定、更可靠的MEMS陀螺仪系统。
% Q) [; x, v# z
参考文献
[1] L. Pileri, M. De Pace, G. Gattere, L. Falorni and G. Langfelder, "Modeling ZRO Temperature Drifts in Gyroscopes With and Without Automatic Quadrature Compensation," in IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, 19-23 January 2025, pp. 32-35.
END
: O) K( r% l. h
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请

6 w2 b2 s9 s  ~  k  b- o欢迎转载

* n! y8 Y  O6 E, x4 D! i转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！


: Z- K* G% o' S$ b2 e  n
6 V& q8 d% w- Z

3el2gjfrfld64026544444.gif

2 c, |" ]1 p8 j$ o
  J$ w* t2 I# n, b. G关注我们

$ c! Q" b- G2 c: B" o7 p2 s. K

% l) n) Q/ ~% j7 ~4 r1 M lkbvnrlvji264026544544.png

klyqlyfamfs64026544644.png

eexvbghwefh64026544744.png

                     
! Z4 v  [7 g  }% Y% @" x
* L7 Q4 q" u6 }+ p3 @
/ H6 R  |$ r! [$ g) W
关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
4 a- p" r- n& r% [
! z8 T$ P& @3 [4 @http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）