硅微机械谐振式陀螺仪的技术研究.pdf

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1、维普资讯http://www.cqvip.com·l0·《测控技术)2006年第25卷第l0期硅微机械谐振式陀螺仪的技术研究盛平，王寿荣，许宜申(东南大学仪器科学与工程系，江苏南京210096)摘要：介绍了硅微机械谐振式陀螺仪的工作原理，设计了一种新型微机械谐振式陀螺，并用有限元方法进行了仿真，制造了一批样机，进行了初步的驱动特性实验。结果表明，该微机械谐振陀螺仪实际驱动模态的谐振频率与仿真值的最大误差小于6％，满足设计要求。关键词：陀螺；频率输出；双端音叉谐振器中图分类号：TN710文献标识码：A文章编号：1000—8829(2006)10—0010—03ResearchonSiliconM

2、icromechanicalResonantGyroscopeSHENGPing，WANGShou—rong，XUYi—shen(DepartmentofInstrumentScience＆Engineering，SoutheastUniversity，Naming210096，China)Abstract：Theoperatingprincipleofasiliconmicromechanicalresonantgyroscopeisintroduced．Amicrome—chanicalresonantgyroscopehasbeendesigned，simulatedandprelimi

3、narilytested．Thedrivecharacteristicsofthegyroscopeatatmosphericpressurearetestedandtheresultsindicatedthatthemaximumerrorbetweenthepracticalresonantfrequenciesandthesimulativeonesiswithin6％meetingthedesignrequirements．Keywords：gyroscope；frequencyoutput；double—endedtuningforkresonator由于电容检测具有温漂小、灵敏度高

4、、可靠性好等转换成谐振器谐振频率的变化，有效地避免了电容检优点，目前微机械陀螺仪多采用该种检测方式⋯。但测中的噪声干扰。微机械谐振式陀螺仪的结构示意随着硅微惯性器件结构尺寸的不断缩小，使得检测输图，如图1所示。出信号的信噪比非常低。2002年，加利福尼亚大学伯梳齿质量块锚克利分校的A．A．Seshia等人提出了硅微机械谐振式陀螺仪的设想并制作了原理样机j。硅微机械谐振式陀螺仪的输出是频率信号，不易受到环境噪声的干扰，且在传输和处理的过程不易产生误差，易与数字电路接口。随着测频技术和数字信号处理电路的发展，谐振式陀螺仪的输出信号更便于信号的处理，有着良好发展前景。1微机械谐振陀螺仪的工作原理微机

5、械谐振式陀螺仪的结构主要分成3大块：陀图1谐振式陀螺仪结构简图螺质量块、杠杆传递部分和谐振器。其中，陀螺质量块用于敏感输入角速度，杠杆传递部分是用来放大哥氏2结构形式和仿真(Coriolis)力，谐振器主要是把陀螺质量块输出给它的微机械谐振式陀螺仪的质量块与谐振器是通过杠轴向哥氏力转化成相应的频率输出J。本设计的微杆机械结构传递哥氏力的，驱动部分和检测部分的运机械谐振式陀螺仪将输入角速率产生的哥氏力的变化动都是一维的，且陀螺质量块驱动电路和谐振器的驱动电路是相互独立的，这样有效地隔离两部分驱动电收稿日期：2006—03—01路之间的相互干扰，并且在设计时可以分别独立设计。基金项目：国家863计

6、划资助项目(2002AA812038)2．1陀螺质量块的结构形式及仿真结果作者简介：盛平(1977一)，男，安徽桐城人，博士研究生，研究方向为微型仪表及微系统技术。微机械谐振式陀螺中的陀螺质量块结构简图，维普资讯http://www.cqvip.com硅微机械谐振式陀螺仪的技术研究如图2所示。采用内框架梳齿驱动，有驱动动齿、驱动2．2双端音叉谐振器的结构形式以及仿真静齿、检测动齿、检测静齿、内框架质量块、外框架质量陀螺质量块前6个固有振动频率块、内外框架支承梁以及基座组成。模态数23456频"~／Hzl0325ll503l80o3234J4429624双端音叉(DETF；double—ende

7、dtuningfork)~振器的结构简图，如图4所示。DETF谐振器由一个可以往返运动的两侧带有梳指的质量块用直梁悬挂在基底上，其A、两端采用适当的方法图2陀螺质量块的结构简图固定在基平面上。在设计质量块的结构时，要尽量使各种干扰模态设计中主要关心的图4DETF的结构简图的固有频率比所需要的模态频率高，来抑制干扰振动是驱动模态，要让它成为主要模态，同时要防止有其他模态。在本陀螺中通过设计使内框架沿