无驱动结构微机械陀螺理论分析.pdf

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1、第23卷第2期传感技术学报Vo1．23No．22010年2月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSFeb．2010TheTheoryAnalysisofNon-DrivenMicromechanicalGyroscopeWULiye~g，YANQingwen，xuHongzhuo，SUNChengxiang，ZHANGWei，ZHANGFuxue，1．SchoolofElectronicEngineering，BeifingUniversityofPostsandTelecommunications，Be{ring100876

2、，China；、＼2．SensingTechniqueResearchCenter，Beijing，rmationScienceandTechnologyUniversity，Belting100101，China，Abstract：Thedynamicfunctionofnon-drivenmicromechanicalgyroscopeisgivenbytheanalysisofitsprincipleusingtheEulerequation，whenboththepitchingandyawingangularrateexitsimultaneity

3、．Themathematicsmodelofthegyroscope’Soutputsignalissetuptoanalysetherelationbetweentheangularrate(pictchingandyawing)andoutputsigna1．Atlast，themodelisvalidatedwithphysicalsimulation．Theinvestigationresultisreallysignifi—canttoapplicationresearchofmicromechanicalgyroscope．Keywords：mi

4、cromechanicalgyroscope；dynamicfunction；spectrumanalysis；pitching；yawing；angularrateEEACC：7630：2575无驱动结构微机械陀螺理论分析术吴立锋，严庆文，徐鸿卓，孙成祥，张伟，张福学。(1．北京邮电大学电子工程学院，北京100876；2．北京信息科技大学传感技术研究中心，北京100101)摘要：应用欧拉动力学基本方程，对无驱动结构的硅微机械陀螺进行了理论分析，推导出陀螺在俯仰和偏航角速度同时存在情况下的动力学方程，建立了陀螺输出信号的数学模型。理论分析了陀螺输出信号的特点

5、以及与俯仰、偏航角速度的关系。最后，通过实物仿真实验，验证了推导的正确性，为无驱动结构陀螺的应用提供了理论指导。关键词：微机械陀螺；动力学方程；频谱分析；俯仰；偏航；角速度中图分类号：V241．4文献标识码：A文章编号：1004—1699(2010)02—0196—05陀螺仪是一种典型的角速度传感器，在航空、1微机械陀螺结构及原理航海、航天、兵器及民用领域有着广泛、重要的应用¨。但传统陀螺仪体积大、价格高的特点限制了图1是利用旋转载体自身角速度驱动，用于敏其应用。随着MEMS技术的发展，出现了各种微机感旋转载体俯仰和偏航角速度的微机械陀螺的结构械陀螺l2¨，

6、其体积小，功耗小、应用范围广等特原理图。此敏感结构是一种“三明治”结构，中间是点引起了各界研究的兴趣。但这些陀螺均有驱动结通过体加工工艺制作的硅摆(质量块)，与两侧镀铜构，制作难度大，而且，高精度陀螺成本高，测量范围的陶瓷片构成四个电容器。坐标系oxy固定于陀螺比较小(≤20r／s)。为此，我们研制了一种无驱动的质量块上，ci是质量块绕oy轴摆动的角速度，是结构的微机械陀螺，它利用旋转体的旋转作为驱动，载体的旋转角速度，是载体的偏航角速度。陀螺结构简单，成本低，而且陀螺输出信息包含了滚动、固定于旋转载体上，当陀螺随着载体以的角速度俯仰、偏航三个角速度信息，相

7、当于3只普通陀螺，旋转的同时又以角速度偏航时，质量块受到周期且测量范围大。本文重点讨论了旋转飞行体在俯性变化的哥氏力作用，使质量块产生沿oy轴的摆仰、偏航角速度同时存在情况下，微机械陀螺机理的动，从而引起由质量块和四个电极构成的四个电容分析和论证。器(c，C，，C4)电容的变化。通过C／V转换电路项目来源：国家自然科学基金项目资助(60627001)；北京市传感器重点实验室开放课题资助(KF2009107724)；北京市教育委员会科技计划资助项目资助(KM200810772005)；Sg京市教委科技创新平台基金资助项目(PXM2008014224O67420

8、)收稿日期：2009—09—16修改日期：2009—