双质量硅微陀螺仪模拟测控电路关键技术的研究

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1、第一章绪论(2)音叉式线振动陀螺仪支承梁图卜3音叉式线振动陀螺仪德雷珀实验室(CSDL)与罗克韦尔公司(Rockwell)于1993年联合研制出一种音叉式线振动陀螺仪，如图卜3所示。这种陀螺采用线振动静电驱动，电容检测敏感角速度，其性能指标较框架式硅微陀螺仪有较大提高。在13．3Pa真空条件下，驱动轴与检测轴的Q值分别可达到4000和5000。标度因数为50mV／rad／s。非线性度<0．2％，在进行温度补偿的条件下其零偏稳定性为10。／h，在控制温度的条件下其零偏稳定性甚至可达1。／h。(3)振动轮式陀螺仪乏妖灌一。／—一一氓钿蔚．＼拶～罗。。＼图卜4整体式硅微振动轮陀螺仪图卜5隔离式

2、振动轮陀螺仪1996年，美国CSDL实验室研制出整体式硅微振动轮陀螺仪，如图卜4所示。它采用角振动梳齿驱动，角振动电容检测的方式，核心半径为lmm左右，是一个平面摆。陀螺的质量块为轮型结构外圈，作旋转振动。定子梳齿固定在基片上，轮上也有一排梳齿。由于振动轮式陀螺仪的轮子沿输入轴的质量和接触面积增加了，所以其测量灵敏度得到很好的改善。在60Hz带宽条件下，它的角速度分辨率可高达0．1。／s，动态范围±500。／s，耐冲击800009。但动梳齿与陀螺敏感质量块被加工为一整体，所带来的问题就是驱动模态与检测模态间存在较大的耦合。1998年，德国微机械及信息技术研究所(IMIT)在此基础上改进研

3、制出一种新型的东南大学硕士学位论文振动轮式微机械陀螺仪，如图1-5所示。相对于整体式硅微振动轮陀螺仪，隔离式振动轮陀螺仪驱动器的动梳齿与陀螺敏感极板通过一对扭杆隔离开，从而减小了驱动模态与检测模态之间的耦合，性能得到了很好地改善。其在50Hz带宽条件下，标度因数为lOmV／。／s左右。非线性度<0．2％，零偏随机漂移为O．14。／h，偏置稳定性为65。／h。(4)振动环式硅微陀螺仪图l-6振动环式陀螺仪1995年，美国密歇根大学研制出了一种振动环式硅微陀螺仪，如图1-6所示。它利用8个完全一样的半圆形支撑环来维持结构并保持对称平衡，同时保证两个模态有相同的固有频率。驱动模态和检测模态都以

4、椭圆形方式在平面内往复振动，两个模态振动方向间的夹角为45。。这种对称的结构可以使它无用噪声振动信号不敏感，且受温度系数影响较小，因此具有较高的灵敏度和稳定性。另外，结构制造上的不平衡偏差可以通过电调谐来补偿。该陀螺仪的工作温度范围较宽，在-40℃、85。C温度范围工作下零偏小于10。／s，且分辨率较高。到2001年时，分辨率为0．010／h／√Hz，且标度因数非线性小于0．2％(±100。／s速率范围内)。(5)苜蓿叶式陀螺仪图1-7JPL苜蓿11-f．式陀螺仪实物图图卜8苜蓿叶式陀螺结构图美国JPL实验室研制的苜蓿叶式微机械陀螺结构如图卜8所示，它采用微加工工艺和微组装工艺，从而实现

5、了一个混合结构的微机械硅微陀螺，如图卜7。因为是混合制造组装的陀螺，所以整个结构不是一个整体，因此不同的部件可以分别制造，这样其结构的大小和形状就可以灵活地制造和改动，便于实验验证的环境条件要求的调整，同时4第一章绪论还可以获得比较大的质量块，性能也相对于之前的硅微陀螺仪有了一定的提高。陀螺中间的圆柱形部件就是微加工工艺制作的大质量块。当然，这种陀螺仪的加工和制造相对于普通的硅加工工艺来讲比较复杂，因此加工成本要高很多，所以它的初始设计主要应用目标是太空船等昂贵精密设备的导航仪器中。该陀螺在实验室中的性能已经达到0．1。／h的零偏稳定性，可工作在一54。C"--85。C，其目标性能为O．

6、0lo／h(6)动力学放大陀螺仪‘≮≮』．b)图卜9动力学放大陀螺a)动力学放大的垂直轴陀螺；b)解耦动力放大垂直陀螺：C)动力放大框架扭转式陀螺2001年，美国加州大学的微系统实验室提出一种新工作原理的硅微机械垂直轴陀螺。它的工作原理是对传统工作在谐振状态的微机械陀螺仪的改进，即采用两个独立的机械结构，通过一个构件谐振并耦合能量传达到另一个构件，并对其运动进行测量而获得有用信息。如图1-ga所示，该陀螺的驱动模态和检测模态均采用动态放大，与传统工作在驱动谐振频率的陀螺相比，其带宽增加了15倍左右，驱动的频率偏移1％时，其输出信号只产生0．8％的偏差，而相同情况下工作在驱动谐振频率的陀螺

7、输出信号产生约20％的偏差。同时采用动力学放大的陀螺性能受结构、热参数波动及阻尼变化的影响大大降低，因此提高了系统长时间工作的稳定性和可靠性，而且系统控制要求及加工、封装要求比原来的微机械陀螺相对更为宽松。美国加州大学微系统实验室于2003年进一步提出了解耦的动力学放大垂直轴硅微陀螺(如图1-9b所示)，2004年又提出了驱动采用动力学放大的水平轴硅微框架扭转式陀螺(如图卜9c所示)。(7)双质量块硅微机械陀螺仪2003年，意大利国