双线振动硅微机械陀螺仪检测技术-研究与试验

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1、东南大学硕士学位论文GPS／惯性组合系统及防撞构件等多个方面。在军用方面，硅微机械陀螺仪及MIMU作为未来中低精度的最主要的惯性仪表，将广泛应用于战术武器，智能弹药的引信控制及制导系统、微小型卫星的姿态测量与控制以及微型武器、微型探测器的定位、定向及姿态控制等¨引。因此硅微机械陀螺仪等MEMs惯性传感器的研究与应用，对我国的国民经济和国防事业意义重大。硅微机械陀螺仪一般为振动式，驱动和检测是其工作的两个重要环节，按驱动和检测方式其可分为四类：①静电驱动，电容检测；②电磁驱动，电容检测；③电磁驱动，压阻检测；④压电驱动，电容

2、检测。其中静电驱动、电容检测类陀螺仪的检测信号为电容信号，由丁由微机械结构形成的电容的变化受温度的影响小、稳定性好等特点，目前国内外很多公司和研究所均集中于电容式硅微机械陀螺仪的研究和开发。对电容式硅微机械陀螺仪，驱动振动幅度多为微米数量级，检测振动幅度更小，检测电容的变化在fF—aF量级，如此小的变化量对检测电路设计是一个挑战，因为陀螺的机械噪声和电路中的噪声通常远远大于所要检测的电容变化量，如果不采取有效措施减小误差和抑制噪声，根本无法检测到真正的有用信号。因此硅微机械陀螺仪检测技术成为其研制的关键之一。近二十年来，硅

3、微机械陀螺仪得到了快速发展，低精度的产品已进入实用阶段，但高精度的产品还有相当长的路要走，在微弱信号检测上存在着技术难度，是制约陀螺精度提高的瓶颈之一。因此检测技术的研究，检测电路的设计、实现与试验对硅微机械陀螺仪的发展具有重要意义。1．2硅微机械陀螺仪的国内外研究现状1．2．1硅微机械陀螺仪的国外研究现状国外研究硅微机械陀螺仪已有20多年的历史。自20世纪80年代以来，美国的德雷珀实验室(简称CSDL)、加州大学伯克利分校传感器与执行器研究中心(简称BSAC)、加州理工学院喷气推进实验室(简称JPL)、LITTON(利顿

4、)公司、AnalogDevices公司、Honeywell(霍尼韦尔)公司，德国微机械及信息技术研究所(IMIT)、LITEF公司，法国SAGEM公司，俄罗斯Vector公司、韩国的三星公司以及日本的一些大学和公司等都相继开展了硅微机械陀螺仪的研究，取得了显著成果。目前，美国研究水平处于领先地位。美国国防部将～IEMS技术列为国防部的关键技术，美国国防高级研究计划局(DARPA)资助开发军用MEMS的经费每年达5000万美元以上。德国在微型机械的研制方面发展迅速。20世纪90年代初，德国科学技术部将微型机械列为国家级重点开

5、发项目，并非常重视微型机械理论研究与应用探索的结合。日本在1989年成立了微机械研究会，并于1992年正式启动一项为期10年、耗资19亿美元的“微机械研究计划”。经过近20年的发展，硅微机械陀螺仪从驱动方式看，主要有静电驱动、电磁驱动、压电驱动；从检测方式看主要有电容检测、压阻检测、压电检测、光学检测等。本文研究的硅微机械陀螺仪采用的是静电驱动和电容检测方式，因此这里简要概述国外研制成功的采用静电驱动和电容检测方式的硅微机械陀螺仪如下：(1)双框架角振动式陀螺仪忉1988年，美国德雷珀实验室(CSDL)首先研制出采用平板电

6、容驱动的双框架式硅微型角振动陀螺仪，如图1．1所示。它由内、外两个框架组成，其中外框用于驱动，内框用于敏感检测。双框架角振动式硅微机械陀螺仪采用静电力作角振动驱动，角振动电容差分检测方式。角速率测量范围为50---2第一幸绪论500。／s，室温r偏置稳定性山50。／h。1994年，美国德西珀实验宅jt删框架式砘微l!期振动陀螺仪进行改进，将驱动方式n1外帆骀功改为内框驱动．制造出一种改进’q的烈框架式角振动陀螺仪，如图I2所示。这种结构山丁内框架驱动时4；会引起外框架的振动，使得外框架在敏感陀螺力矩信号时，受内框架驱动电挑

7、信号的影响H1IⅡl：微框架式角振动陀螺仪图l_2段进型挺架式伯振动陀螺仪小，从而段善r信噪比，提高，性能。这种类’“的硅微陀螺仪由J‘框架上，、起质量块高度受T艺所限．扳动幅度也受到空问尺寸的限制，其戎敏度与精度小高．上i小易提高。(2)音叉式绒振动陀螺仪⋯’1099年，德雷珀实验室(CSDL)。，岁克书尔公-d(Rockwell)联音研制山一种音义式线振动陀螺仪，如幽l_3所示。它采川线振动驱动，角振动敏感榆洲，其性能指标较杠架式i#微『魍噪仪有较凡提高。在100mTorr真空条什F，驱动轴1l榆驯轴的Q值分别为400

8、0币l5000。标应闪数为50mV／rad／s。非线眭<02％，在60Hz符宽F，补偿后的偏转稳定性选33。／}1，1999年，柑关文献报道菠音叉陀螺—銎垄芗一t幽13音义式线振动陀螺仪采川温度补偿后的事偏稳定十#剌标度刈数稳定性分别为10。／h和200ppm。(3)振动轮式陀螺仪”1996年，荚幽德雷