Design of Capacitive Micromechanical Gyroscope (by Li Jinming)

This book systematically introduces the structural design of capacitive micromechanical gyroscopes and the surface processing wafer-level vacuum packaging process. It focuses on the closed-loop self-oscillation method, angular rate signal demodulation algorithm and circuit implementation in the gyroscope. Finally, it provides a detailed analysis and explanation of the test methods for key parameters such as the micromechanical gyroscope oscillation quality factor, resolution, operating bandwidth, sensitivity and linearity. Chapter 1 Introduction1.1 Technical classification of micromechanical gyroscopes1.2 Current status of development of micromechanical gyroscopes1.2.1 Piezoelectric quartz gyroscopes1.2.2 Piezoelectric ceramic gyroscopes1.2.3 Silicon micromechanical gyroscopes1.3 Overview of signal processing methods for capacitive micromechanical gyroscopes1.3.1 Driving circuits1.3.2 Signal demodulation processing methods1.4 Technical difficulties in capacitive micromechanical gyroscopes1.5 The main research content of this book1.6 Organization and arrangement of this bookChapter 2 Structural design and processing of capacitive micromechanical gyroscopes2.1 Structural design of capacitive micromechanical gyroscopes2.2 Study on vibration modes of micromechanical gyroscopes2.2.1 Calculation of driving modal frequencies2.2.2 Calculation of detection modal frequencies2.3 Structural simulation of capacitive silicon micromechanical gyroscopes2.4 Calculation of comb capacitance2.4.1 Detection capacitance of driving modes2.4.2 Detection capacitance of detection modes2.5 Calculation of electrical tuning frequency of detection modes2.6 Design of key processes2.6.1 Processing flow of micromechanical gyroscope structure2.6.2 Processing technology of vacuum packaging cover of micromechanical gyroscope2.6.3 Silicon glass bonding process in vacuumSummary of this chapterChapter 3 Research and simulation of signal processing methods for capacitive micromechanical gyroscope3.1 Research on closed-loop drive of capacitive micromechanical gyroscope3.1.1 Basic principle of closed-loop self-oscillation at power-on3.1.2 Closed-loop drive without automatic gain control3.1.3 Closed-loop drive with automatic gain control3.2 Derivation of key signals of capacitive micromechanical gyroscope3.2.1 Electrostatic driving force3.2.2 Vibration velocity of moving mass block3.2.3 Displacement caused by Coriolis force3.3 Derivation of angular rate signal demodulation algorithm of capacitive micromechanical gyroscope3.3.1 Basic principle of signal demodulation3.3.2 Influence of interference signal on signal demodulation3.3.3 Research on high signal-to-noise ratio demodulation algorithm3.4 System simulation of capacitive micromechanical gyroscope3.4.1 3.4.2 Simulation of the closed-loop driving process 3.4.3 Simulation and simulation of the gyroscope in an impact environment Summary of this chapter Chapter 4 Design and simulation of the interface circuit of a capacitive micromachined gyroscope 4.1 Design of the preamplifier circuit of a capacitive micromachined gyroscope 4.1.1 Design and analysis of the traditional C/V conversion circuit 4.1.2 Design and analysis of the improved C/V conversion circuit 4.1.3 Design of the preamplifier circuit to resist the interference of the driving signal 4.2 Design of the closed-loop driving circuit of a capacitive micromachined gyroscope 4.2.1 Design of the high-pass filter circuit 4.2.2 Design of the phase shift circuit 4.2.3 Design of the limiter circuit 4.2.4 Design of the AGC automatic gain circuit 4.3 Design of the angular rate demodulation circuit of a capacitive micromachined gyroscope 4.3.1 Design of the phase-sensitive demodulation circuit 4.3.2 Design of the second-order low-pass filter circuit Summary of this chapter Chapter 5 Performance test of a capacitive micromachined gyroscope 5.1 5.1.1 Basic principles of quality factor test 5.1.2 Electrostatic excitation-capacitance detection method 5.1.3 Mechanical excitation-capacitance detection method 5.1.4 Electrostatic excitation-displacement characteristic indirect detection method 5.2 Gyroscope resolution test 5.3 Gyroscope bandwidth test 5.4 Selection of AGC static operating point 5.5 Gyroscope working state test 5.5.1 Working state test in closed-loop drive control circuit 5.5.2 Working state test in signal demodulation circuit 5.6 Sensitivity and linearity test 5.7 Bandwidth and sensitivity optimization Summary of this chapter Appendix 1 Electrical schematic diagram of capacitive micromechanical gyroscope Appendix 2 Partial code of SIMULINK simulation of capacitive micromechanical gyroscope References