一种音叉振动式微机械陀螺性能变异分析

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1、http://www.paper.edu.cn1一种音叉振动式微机械陀螺性能变异分析文永蓬，王安麟，姜涛，刘钊，刘广军同济大学机械工程学院，上海（201804）E-mail：wanganlin@mail.tongji.edu.cn摘要：以一种体微加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为研究对象，从参数化设计的角度详尽分析了加工误差引起的关键参数的性能变异对于最终检测电容的影响。通过动力学分析，获得系统固有频率以及检测总电容表达式，根据异向检测总电容和同向干扰总电容幅频特性分析，获得了对微陀螺性能影响最大的两个关键参数，并针对这两个关键参数相

2、应结构提出了合理化设计以及加工建议。试验的结果证明了仿真分析的正确性，提出了保证陀螺性能的关键在于保证音叉振动式微陀螺左、右部分的对称性这一观点。本文的工作不仅明确了关键参数的加工误差对于微陀螺性能的影响，同时也为微陀螺性能的进一步提高提供了可参考的理论依据。关键词：微机械；陀螺；性能变异；检测电容；加工误差中图分类号：TP2121．引言采用微电子机械加工技术制备的微机械陀螺是利用科氏效应来检测转动物体角速度的一种微惯性传感器，由于其具有高性价比、体积小、重量轻等特点，广泛应用于航空航天、[1]军事、汽车工业和消费电子等领域。音叉振动式

3、微机械陀螺属于一种较复杂的微机械陀螺，[2]因其采用对称结构，其主要特点在于使最终检测输出加倍，并能有效抑制模态干扰，而且具有较高的Q值和灵敏度、较低的机械耦合和热噪声，同时能够有效抑制轴向加速度的干[3]扰，因此，受到国内外学者的广泛关注。微加工器件对设备、加工工艺以及环境要求很高，尽管如此不可避免仍存在一定误差，[4-7]使微机械陀螺性能发生较大变异，尤其是对于音叉振动式微机械陀螺，加工误差造成结构不对称，使微弹性梁、检测质量等关键参数发生漂移，对最终输出造成较大影响。近年来，[4]加工误差对于微陀螺性能变异引起众多学者的关注：Pa

4、rk采用主动控制策略对于加工缺[5]陷进行一定的补偿，保证一种Z轴微陀螺的性能对于尺寸变化的健壮性。Painter利用自我[6-7]校准结合反馈控制即所谓的“双重控制策略”将10%的加工尺寸误差控制在1%。姜涛以概率思想研究微陀螺批量加工过程所带来的材料尺寸随机误差对音叉式陀螺固有频率和检测电容的影响。上述研究均是针对某些特定尺寸，由尺寸之间相互关联形成的关键参数变异对微系统性能影响尚存较大的研究空间。本文研究目标在于明确关键参数的加工误差对于微陀螺性能的影响，为进一步提高微陀螺的性能提供可参考的理论依据，具体地讲，以一种体微加工技术制

5、备的音叉振动式微机械陀螺为对象，建立四自由度动力学模型，获得其固有频率以及检测电容表达式，从而获得加工误差引起的关键参数的性能变异对于异向检测总电容和同向干扰总电容幅频特性的影响，获得对微陀螺性能影响最大的两个关键参数并针对其对应结构提出了合理化设计以及加工建议。2．音叉振动式微机械陀螺模型[3,9]一个以微机械加工技术制备的典型的音叉振动式微机械陀螺结构如图1所示。该微陀螺由对称的左、右两部分构成，每一部分包含一个外框驱动质量块和一个内框检测质量块，1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（20070247006）、国家863计划(

6、2006AA04Z303)的资助。-1-http://www.paper.edu.cn外框驱动质量块通过驱动弹性梁与衬底固定，内框检测质量块位于驱动质量块的中间，通过U型检测弹性梁和驱动质量块连接，两个驱动质量块由中间弹性梁连接起来构成音叉式结构。内框检测质量块上制作有栅型可动电极，与玻璃衬底上叉指形的检测固定电极构成差分检测电容。为实现电磁力驱动，在z方向施加有匀强磁场。微陀螺工作时，左、右两部分两个驱动质量块沿x方向异向振动。当绕z方向有角速度输入时，左、右两部分两个检测质量块在科氏力的作用下沿y方向异向振动，由于栅型可动电极与检测

7、固定电极交叠面积发生变化获得差分检测电容的大小，在特定驱动频率下检测电容的大小与系统角速度呈线性关系，通过一定陀螺接口电路对电容输出信号进行检测，因而最终可以得到系统的角速度。外框驱动质量块U型检测弹性梁内框检测质量块中间弹性梁锚点驱动方向驱动弹性梁对称结构检测方向驱动信号图1音叉振动式微机械陀螺物理模型示意图3．音叉振动式微机械陀螺动力学分析音叉振动式微机械陀螺的物理结构模型可抽象为如图2所示的四自由度质量-弹簧-阻尼模型，在质量、弹簧以及阻尼三类关键参数组成的理想刚体模型中，在x方向上为二自由度驱动振动，由于整体存在角速度Ω作用，引

8、起在y方向上出现二自由度检测振动。其动力学方程如下：M&&xCxkkxkxF+&++−=()sinωtql111qxx51x520M&&xCxkkxkxF+++−=&()−sinωtqr222qxx52x5