基于片内热元件的硅微陀螺仪温度控制与补偿技术的研究

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1、第一章绪论2011年6月挪威SensoNor公司在德国SensorsandTest展览会和美国传感器博览会(SensorsExpo)I-推出STIM210型号3轴硅微陀螺仪其质量仅为559，零偏稳定性为0．5‰【15】。1．2．2硅微陀螺仪国内研究现状国内开展硅微陀螺仪的研究始于“八五’’期间。主要的研究单位有清华大学、北京大学、东南大学、南京理工大学、上海微系统与信息技术研究所、中国电子科技集团第13研究所和第55研究所、中国航天集团时代电子公司、中北大学、北京航空航天大学、西北工业大学等科研单位U6]o东南大学设计出具有自主产权的双自由

2、度硅微陀螺仪，其结构如图1．4所示。该结构采用体硅加工技术，驱动电路采用自激震荡闭环控制实现，其测量范围为±5000／s，零偏稳定性小于0．10／s。后来研制了双质量硅微陀螺仪，其结构如图1．5所示。该结构由两个相同的质量块组成，主要包括基座、驱动梳齿、驱动检测梳齿、外框、检测质量块和支撑梁等。外框通过四个折叠梁与基座相连，在外框的四周均设计有驱动梳齿和检测梳齿，在外框内，设计有外框质量块，该质量块通过四根直梁与外框相连，在检测质量块的下方，设计有检测模态的检测电极。在驱动模态，两质量块工作在同幅同频反向状态117-181，通过检测模态的差

3、分检测提取角速度信号。(a)双轴角振动式陀螺仪(b)线振动式垂直陀螺仪图1．4东南大学研制的单质量硅微机械陀螺仪结构示意图(a)双质量硅微陀螺仪结构图(b)显微镜下部分结构图图1．5东南大学研制的双质量硅微陀螺仪结构示意图中国科学院研制的单晶硅振动环陀螺仪其机械结构如图1．6所示，该陀螺仪采用全对称结构设计，目的是为了减小驱动模态和检测模态的频差，提高陀螺仪的性能。陀螺仪采用电磁驱动和电磁检测的方式。2009年公布的性能为两个模态频差为0．27Hz。在东南大学硕士学位论文+_200。／s量程范围内，陀螺仪输出的灵敏度为8．9mv／(o／s)

4、，分辨率为0．05。／s，非线性度为O．23％【19‘201。(a)振动环陀螺仪结构图(b)显微镜下部分结构图图1．6中国科学院电子研究所研制的振动环陀螺仪中国工程研究院和电子工程研究所的唐海林、刘显学、周浩、郑英彬、张梅、施志贵和吴嘉丽等人研制出了双框架解耦陀螺仪样机。2010年公布的性能为：硅微陀螺仪驱动模态的品质因素>2000，检测模态的品质因素>1800，线性度<0．3％，在+_200o／s量程范围内标度因数为21mV／(o／s)，零偏稳定性为0．05790／s【2lj。哈尔滨工业大学的陈伟平、陈宏、郭玉刚、许鹏和刘晓为等人设计出了

5、一种全对称双解耦硅微陀螺仪，利用四组十字折梁实现了结构的双解耦，通过仿真得出模态之间的耦合系数小于O．17％，最后对该结构的硅微陀螺样机进行测试：在常压下其灵敏度为8．031mV／(。／s)[221。2009年，电子科技集团公司第十三研究所和南京理工大学合作研制出了国产高精度的硅微机械陀螺仪，如图1．7所示【驯，其零偏稳定性达到了14．3‰，零偏重复性达到了26．8o／l】。(a)陀螺仪封装图(b)硅微陀螺显微镜照片图1．7南京理工大学设计的双质量硅微陀螺仪1．3硅微陀螺仪温度误差研究现状硅微陀螺仪温度误差的研究主要是通过温度试验研究陀螺仪

6、自身参数的变化，通过硬件和软件的方法对硅微陀螺仪进行补偿。通过补偿前后的效果对比来验证方案的可行性。为了有效改善陀螺仪谐振频率的温度特性，斯坦福大学【24lMathewA．Hopcroft等人4第一章绪论在陀螺仪旁边安装了温度传感器，测量不同温度下的谐振频率和品质因数的值，分析出温度与频率以及品质因数的关系。利用频率和温度的线性关系对谐振频率进行补偿，最后将频率温度系数降到lppm／'C。斯坦福大学RenataMelamud等人利用湿法氯化法在硅表面形成了一层二氧化硅薄膜，利用硅和二氧化硅相反温度系数，将合成材料的谐振器温度敏感性降低到了石

7、英谐振器的水平12引。美国密歇根大学AnnArbort分校微系统中心采用应力补偿梁的方法将硅微陀螺仪频率的温度系数由1760ppm减小到200ppm[26"27]。美国喷气推进实验室认为硅微陀螺仪在航空航天领域有很好的应用前景，但是硅微陀螺仪性能容易受环境温度变化的影响。所以需要充分研究硅微陀螺仪温度特性提高其精度。该实验室通过大量温度实验找出了温度与驱动频率、零偏的关系。利用陀螺仪谐振频率来测量陀螺仪的实时温度，随后他们[28-311在35℃"-65℃范围内对陀螺仪进行了温度试验，记录其谐振频率、零偏随温度变化的规律，建立了谐振频率、零偏

8、与温度的模型。2010年美国马里兰大学的ChandradipPatel，Patrick，DavidLemus等人研究了硅微陀螺仪在持久高低温环境下的工作性能【32。。首先测量3组