基于压阻式陀螺仪中传感元件非调制输出的ZRO补偿方法

《Journal of Microelectromechanical Systems》：ZRO Compensation Based on Non-Modulated Outputs of the Sensing Elements in Piezoresistive Gyroscopes

提出一种基于亚微米电阻传感的新技术，用于减少陀螺仪零率输出（ZRO）漂移。通过信号频率分离，设计并行电路检测驱动振荡和科里奥利效应信号，以及温度/应力引起的准直流信号，仿真优化电路尺寸。在线线性回归校准，实现0.1°/hr稳定性，随机游走降低14倍，优于传统温度补偿方法。

　　

摘要：

本文提出了一种基于亚微米级电阻式传感技术的新方法，用于减少陀螺仪中的零速率输出（ZRO）漂移。该陀螺仪的面积为1.3平方毫米，采用惠斯通电桥作为驱动和感测运动的读出装置。其核心原理在于对每个电桥两端信号的频率进行分离：调制信号表示驱动振荡和与科里奥利效应相关的输出（与传统陀螺仪类似）；而准直流信号则由温度或应力引起的电阻变化产生。由于电阻式传感对电桥节点处的电容负载具有抗干扰能力，因此可以并行使用不同电路来检测这两个频率范围，而不会降低噪声性能。用于检测由应力和温度引起的输出变化的电路尺寸是根据对封装变形的测量结果进行仿真后确定的。该系统的工作角随机游走（ARW）水平范围为 500 dps/ √ Hz。在未进行温度校准且环境条件不受控制的情况下，系统在10秒内就会出现ZRO漂移。如果利用测得的准直流信息通过线性回归对传感器进行校准，那么在1000秒的观测间隔内，系统的稳定性可降低至 0.1° /hr；与未补偿的输出相比，角随机游走率降低了14倍；而与仅通过驱动共振频率进行温度传感的补偿方案相比，稳定性提高了3倍。[2025-0186]