子計畫二：精確微型諧振陀螺儀之驅動及讀出IC 之設計

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

子計畫二：精確微型諧振陀螺儀之驅動及讀出 IC 之設計

CMOS Contr ol and Readout Integr ated Cir cuit Design for

Pr ecision Micr o-Electr omechanic Gyr oscope System

計畫編號：NSC 87-2218-E-002-020

執行期限：86 年 7 月 1 日至 87 年 6 月 30 日

主持人：賴飛羆教授 國立台灣大學電機工程學系

『 CMOS Control and Readout Integrated Circuit Design for Precision Micro-Electromechanic Gyroscope System』 is intended to cope with the new spherical vibratory micro-gyroscope, and design a formula control and compensate circuit. The driving principal and proposed circuit will be discussed.

Keywor ds: Micro-Electromechanic Gyroscope, Control and Readout Integrated Circuit. 二、緣由與目的 Gyroscope 元件用來測量角旋轉或旋轉 速率在過去幾十年已有相當深入之研究與 發展。隨著低價微小矽微機電加速儀之發 展成功及擴散，現在工業界的注意力轉移 到 低 價 位 機 電 陀 螺 儀 之 設 計 。 Micro-圖一 gyroscope 之應用範圍在快速的增加，如汽 車中牽引力及穩定之系統，電視攝影機之 穩定系統，及模型飛機之穩定系統。而若 能進一步與微型加速度計整合成慣性參考 系統，將可供虛擬實境（Virtual-Reality） 的應用，若再進一步配合 GPS 全球衛星定 位接收器則可供汽車船舶之導航用途，這 些應用均可獲致巨大的經濟利益。 目前的矽加工微型陀螺儀結構如圖一 所示，此種微型陀螺儀可以偵測沿著軸方 向上的轉角與轉速，但是若沿著軸方向上 有加速度運動，則會因為此結構的剛性不 足而產生形變。

2 圖二 而本計畫中之球對稱結構矽加工微型 陀螺儀則可克服這個問題。如圖二所示， 利用碗狀的剛性結構可以提高沿著軸方向 的剛性，而碗狀的邊緣則提高了可感測與 驅動電極的面積，因而能夠提高效率。驅 動以及感測的方法則不需大幅調整。 三、結果與討論 微型陀螺儀是利用半球殼的諧振振形 偏移角度來計算轉速及轉角，為了維持振 形，需視目前諧振強度持續輸入驅動訊 號，此部份可利用鎖相迴路電路完成。當 振形偏移時，利用半球殼與電極間電容的 變化可以推算出振形偏移量，而求得轉速 與轉角。 (一)驅動電路 如圖三所示，電極的訊號由鎖相迴路 提供，而振形的位置則需要利用 0'與 45' 兩組感測電極的訊號決定。 提供至驅動電極的訊號是四分之一週 期的方波，但是因為方波是由振形在平衡 點時開始提供，此時氣隙較大，因此作用 力較小，而當形變達到最大時，驅動電極 所提供的作用力也達到最大，足以提供良 好的驅動效果。 圖三 (二)感測電路 由於目前技術的限制，碗形振動半球 殼的半徑為 500um，氣隙間距為 2um，電極 數目為驅動電極、感測電極各八個、補償 電極十六個，電極深度 35um，扣除遮蔽電 極與電極間隙後，每個電極寬度為 9'，因 此 感 測 電 極 的 電 容 值 約 為 9.46E-15F(Farad)，而變化量在 0.1fF 左右。 因此電路的設計如圖四所示，PMOS 閘 極的電壓為： 當 pick-off 電極電容值改變時，PMOS 閘極 的電壓便發生變化，由於下方的電流源限 制，PMOS 汲極電壓也會產生變化，因而偵 測出陀螺儀振形的進動。 此電路的解析度受限於感測電極與 PMOS 電晶體電容的比值，約在 1E-4 左右， 因此今後仍須從陀螺儀的結構改良與電路 上著手，另外目前所設計出之諧振陀螺儀 之共振頻率為 22.72Mhz，因此感測電路至 少須要工作在 22.72Mhz*8=181.76Mhz。 ) 1 ( * * * * * Cgd Cgs Cx Cgd Cgs Cgs Vdd Cgd Vd Cgd Cgs Cx Cgs Vdd Cgd Vd Vg + − + + ≅ + + + =

3 圖四 模擬結果顯示，若感測電容 Cx 變化量 為 0.1fF 時，Vd 電壓變化可達 5mV，但是 後級訊號處理則需要使用速度約 200Mhz 的 類此-數位轉換器﹝ADC﹞，因而將使得電 路的成本增加，而降低此微型陀螺儀的整 體經濟效益。 四、計畫成果自評 此計畫培養了數位博士班與碩士班學 生瞭解微機電系統及支援電路的特性，擴 展了電路設計的應用領域。支援電路方面 則完成了電路系統的設計與模擬。 系統效能上目前尚未達成原先設計的 目標，因此仍然須要與總計畫繼續配合， 調整設計，才能達到預期的效能，然而透 過不同領域的各子計畫間整合的工作，已 經逐漸充實了我國微機電系統科技的基礎 結構。 五、參考文獻

[1] Y. Lu and A. Nathan, "Thin Film Magnetostrictive Sensor With On-Chip Readout and attoFarad Capacitance Resolution," IEEE IEDM p.777, 1996 [2] Phillip E. Allen and Douglas R. Holberg,

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[3] Jan Soderkvist, "Micromachined gyroscopes," Sensors and Actuators A, 43, p.65, 1994

[4] S.R. fisher, "Hemispherical resonator Gyro - A New Precise Rotational Sensor," Advances in Astronautical Sciences, V.52, p.208, 1995

[5] E.J. Loper, D.D. Lynch, and K.M. Stevenson, "Projected Performance of Smaller Hemispherical Resonator Gyros," Position, Location and Navigation Symposium Planes 86, p.61, Nov 1986

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Avionics Systems conference, Oct. 1983 [7] UK Patent Application GB 2 021 266 A [8] UK Patent Application GB 2 061 502 A