可調諧柵結構微機械陀螺的研究.pdf

1、陀螺是一種實現(xiàn)角速度或角位移測量的傳感器，是慣性測量單元(IMU)的重要組成部分。微機械陀螺相對于傳統(tǒng)的剛體轉子陀螺與光學陀螺而言，具有體積小，低成本，低功耗，可批量生產等特點，成為近幾十年的研究熱點。其應用領域包括消費電子，汽車工業(yè)，導航系統(tǒng)等。
　　柵結構微機械陀螺采用變面積電容結構，其平面內運動模態(tài)使其在大氣環(huán)境下具有較小的阻尼，且其硅玻璃結構使其具有較大的可動質量塊，從而具有較小的機械熱噪聲。傳統(tǒng)的柵結構微機械陀螺由于采用

2、變面積電容進行驅動及檢測，無法在驅動或檢測模態(tài)上對陀螺的諧振頻率進行調整，驅動與檢測模態(tài)不能實現(xiàn)完全匹配，導致陀螺的性能不能得到有效的提升;另外，由于加工工藝誤差導致的離散性較大，器件性能不一。本論文在傳統(tǒng)的柵結構微機械陀螺的基礎上，對器件結構與電路進行改進，實現(xiàn)陀螺驅動與檢測諧振頻率的匹配，使陀螺性能得到優(yōu)化。主要工作內容以及創(chuàng)新點如下:
　　1)針對傳統(tǒng)柵結構微機械陀螺無法對驅動及檢測模態(tài)的諧振頻率進行調整的問題，提出并實現(xiàn)了

3、一種新型的可調諧柵電容結構。該結構中可動電極仍為矩形，而固定電極改為三角形，三角形固定電極的一邊與可動電極的長邊交疊。當可動電極與固定電極間有一固定直流電壓時，此柵電容結構即可產生一等效的靜電彈性系數(shù)，改變陀螺相應方向上總的彈性系數(shù)，從而調整驅動或檢測模態(tài)的諧振頻率使其達到匹配。將三角形固定電極的位置水平翻轉可得到符號相反的靜電彈性系數(shù)。實際加工的陀螺器件樣品的測試結果表明，檢測模態(tài)諧振頻率與調諧直流電壓呈二次曲線型關系，當調諧電壓為1

4、5V時，檢測模態(tài)的諧振頻率改變13.5Hz，與理論分析結果基本一致。
　　2)針對MEMS陀螺帶寬，已有文獻指出，當驅動與檢測模態(tài)頻率差△f較大時，帶寬為0.54|△f|，當模態(tài)匹配時為fo/2Q，其中fo為器件工作頻率，但對于諧振頻率差較小但不等于零的情況則沒有相關結論。且一般認為，陀螺的靈敏度與帶寬是相互制約的兩個性能，靈敏度越大，帶寬越小。本文通過建立仿真模型進行分析，發(fā)現(xiàn)頻率差較小時，陀螺帶寬與驅動檢測模態(tài)的諧振頻率差關系

5、曲線中存在一個斷點，斷點外帶寬約為0.54|△f|，斷點內帶寬可明顯高于斷點外帶寬。斷點對應的頻率差約為fo/Q，斷點處的帶寬為極大值，約為1.52fo/Q。由于斷點處靈敏度比斷點外大，可利用該特性優(yōu)化帶寬和靈敏度綜合性能。利用具有調諧結構的陀螺器件測試在不同諧振頻率差情況下的帶寬，驗證了上述發(fā)現(xiàn)。
　　3)本文設計的調諧電極在對陀螺的驅動與檢測模態(tài)進行匹配的同時，可用于對陀螺中的耦合進行力平衡反饋。在差分調諧電極上分別施加一具有

6、相同直流及反相交流的電信號，可以同時實現(xiàn)頻率匹配與力平衡兩種功能。對處于匹配狀態(tài)下的檢測環(huán)路進行分析，指出在環(huán)路參數(shù)選取適當?shù)那闆r下，檢測閉環(huán)可以提高陀螺系統(tǒng)輸出帶寬，且不改變輸出的噪聲基底。在適當?shù)膮?shù)下對系統(tǒng)的性能進行測試，閉環(huán)情況下的系統(tǒng)輸出帶寬為12.5Hz，相對開環(huán)情況下的3.5Hz有較大的提高。閉環(huán)情況下的噪聲等效角速度為8.467°/hr/√Hz，與開環(huán)情況下的9.218°/hr/√Hz基本一致。在±500°/s范圍內測試