梳状音叉MEMS陀螺非随机误差分析VIP免费

第35卷第6期电子科技大学学报Vol.35No.62006年12月JournalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaDec.2006梳状音叉MEMS陀螺非随机误差分析李荣冰1，刘建业1，林雪原1，华冰1，刘瑞华2(1.南京航空航天大学导航研究中心南京210016;2.中国民航学院天津市智能信号与图像处理重点实验室天津东丽区300300)【摘要】研究了一种典型结构的梳状音叉MEMS陀螺的非随机性误差特性。综合考虑梳状音叉MEMS陀螺质心偏移、硅的非等弹性等因素，分析该陀螺中的非随机性干扰力矩；从二阶欠阻尼控制系统的角度，讨论了干扰力矩在陀螺内调制、解调环节下对输出的影响；推导出开环灵敏度随温度、比力和角速度的变化关系。在一定近似条件下，得到梳状音叉MEMS陀螺非随机性误差模型的形式。关键词MEMS陀螺;非随机性误差;微电子机械系统;惯性导航中图分类号V241.59文献标识码AAnalysisofNon-StochasticErrorsinComb-DriveTuningForkMEMSGyroscopesLIRong-bing1，LIUJian-ye1，LINXue-yuan1，HUABing1，LIURui-hua2(1.NavigationResearchCenter,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsNanjing210016;2.TianjinKeyLabforAdvancedSignalProcessing,CivilAviationUniversityofChinaDongliTianjin300300)AbstractAnalyzingerrorcharactersofinertialsensorsandmodelingerrorsareimportanttaskswhenbuildingInertialNavigationSystems(INS)andeffectivewaystoimproveaccuracyofINS.Non-stochasticerrorcharactersanderrorsourcesofatypicalkindofMEMSgyroscopeinstructuresandComb-driveTuningForkGyroscope(TFG)areresearched.Theeffectsofinterferingtorquesarediscussedfromtheaspectoftwo-orderweaklydampedcontrolsystems.Theopen-loopsensitivityofthegyroscopeisfocusedonanditsvariationversustemperature,specificforceandanglerateisbroughtforwardtoundersomesimplifiedconditions.Finally,theformofthenon-stochasticerrormodelisconcludedandtheconclusionismuchhelpfulandinstructionaltomodelingnon-stochasticerrorsofTFG.KeywordsMEMSgyroscope;non-stochasticerrors;microelectro-mechanicalsystem;inertialnavigation近年来，微电子机械系统(MicroElectro-MechanicalSystem，MEMS)的器件设计、制造不断成熟，MEMS惯性传感器，性能不断提高。20世纪90年代中期以来，国外尤其是美国，在基于MEMS惯性器件构建惯性以及组合导航系统方面的研究取得显著成果，成功实现了低成本战术级导航系统[1-3]。梳状音叉MEMS陀螺(Comb-driveTuningForkMEMSGyroscope，TFG)是一种可承受高加速度、有较大发展空间的MEMS陀螺，许多美国国防部资助的基于MEMS技术的惯性导航系统都采用了这类陀螺[2]。从构建惯性导航系统的角度研究MEMS惯性器件的误差特性，进行误差补偿，是研制MEMS惯性导航系统时首先要解决的关键问题。1梳状音叉MEMS陀螺据Draper实验室TFG的扫描电子显微镜照片[4]，TFG原理结构的俯视图如图1所示。图中，X为驱动轴；Y轴既为输入轴，也为输出轴[5]；Z轴与X、Y构成右手系；AU、AD是TFG谐振器在衬底上的锚点；CU、CD是检测角振动的扭转轴，由两对支撑梁等效而成；ML、MR是敏感质量块，两侧为梳状驱动器的动齿；BL、BR外侧静齿；D为内侧静齿；EL、ER为质量块的支撑梁结构；SL、SR，FFL、FFR，KAL、KAR分别是检测电极、收稿日期：2004−09−20基金项目：国家自然科学基金资助项目(60472125)；国防科技预研基金资助项目(514090301)；航空科学基金资助项目(04D52030)作者简介：李荣冰(1977−)，男，博士生，主要从事基于MEMS技术的微型惯性导航系统方面的研究.第6期李荣冰等:梳状音叉MEMS陀螺非随机误差分析929力反馈电极和调整检测角振动扭转系数的电极。TFG驱动模态和检测模态动力学方程分别为[5]：202ddsin()ddxxxxxmDkxFFtttω++==(1)2G2ddddyyyyyyyJDkMtt++=θθθ(2)式中m是ML、MR的质量；、xDxk分别是驱动振动的阻尼系数和弹性系数(支撑梁EL、ER的X方向弹性系数)；为静电驱动力；为幅值；xF0Fω为频率；、和分别是检测振动的转动惯量、阻尼系数和弹性系数(CyJyDykU、CD的扭转...