©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第卷第期年月仪器仪表学报阴微机械陀螺原理与关键技术高钟毓清华大学摘要本文介绍两种结构的微机械陀螺的基本工作原理、主要性能指标以及设计和制造中的关键技术。引言微机械陀螺是一类技术难度较大的微机电系统,它是在硅微结构的微米纳米技术基础上发展起来的。它由单晶硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成,具有显著的尺寸小、重量轻、可靠性高、抗振动冲击能力强以及大批量生产等优点,因此成本低、价格低廉。据文献〔‘〕图闭报导,这类陀螺目前已经能够达到。。漂移性能指标,在战术武器、汽车工业以及增广导航等方面,都有广泛的应用前景。在年以前,将有微机械惯性测量单元产品问世,预计每只价格军用为美元,民用仅为美元。并且,将进一步克服精度壁垒,研制出腰带扣大小的惯性导航系统。基本工作原理微机械陀螺的基本工作原理都是由加速度计附加抖动装置组成。抖动装置有角振动和线振动两种。所以,从本质上来说,微机械陀螺是一种振动式角速度传感器。框架式角振动陀螺于年研制出一种陀螺仪,它没有连续旋转的飞轮,而是绕挠性枢轴的振动部件,其原理结构如图所示。它由内外两层框架组成,内框架上有淀积金的垂直质量,可以想象为陀螺。外框架在交变静电力驱动下绕枢轴振动,可以看作是驱动马达。每个框架通过一组正交的枢轴连接在一起。这些枢轴在扭转方向上很软,而在其他方向上很硬。当外框架以小角度振动时,内框架就能敏感绕框架平面法线的角速度。这时,内框架的输出信号频率与外框架的振动频率相同,而幅值与输入角速度成正比©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第期微机械陀螺原理与关键技术二石叭式中、一,仇,一外框角振动幅度,叭一谐振频率,一鑫一谐振品质因素,二一,,‘绕内框各轴的转动惯量,叭一输入角速度。陀螺外框架运动的测量和控制是由两个埋藏式的电极电容进行的。而内框架是由两个桥式电极电容测量和控制的。陀螺本身工作在力反馈状态,通过静电力矩保持陀螺平衡位置。测量和施加平衡力矩采用同一对电容器,但二者的供电频率不同。为了完全控制该陀螺仪,需要个伺服电路陀螺仪谐振器电路,频率控制电路,外框架振幅和倾斜控制电路,内框架倾斜和值控制电路以及温度控制电路。它们再平衡内框元件,以减小框架不正交和内框元件不平衡的影响。输出角速度信号电压与克服内框元件陀螺力矩所需要的静电平衡力矩成正比。在理想条件下,外框驱动频率等于内框的谐振频率。为了得到高灵敏度,谐振的值应该越高越好。为此,陀螺必须密封在真空罩内,以降低空气阻尼。这时,值可达。。。陀螺芯片尺寸为·一’,,挠性枢轴的厚度为·““,预计漂移不定性为,或者更好,适用于短时间导航。万向架振动驱动轴振动翰出轴图框架式角振动陀螺原理图音叉式线振动陀螺原理音叉式线振动陀螺仪闭和·于年和年研制了一种单晶硅音叉式线振动陀螺。它采用了硅微结构的梳状驱动音叉,原理结构如图所示。梳状驱动器的静电力可表示为,,,羌一吮丁‘二万一艺‘永式中一外加电压,由直流偏置和交流分量组成,一间隙电容,一横向位移。,,一、卜一、。。芜、,,⋯、、,二、对于梳状驱动器,丈一常数,所以静电驱动力与质量横向位移关系极微弱,因而能采用大幅度振动,以提高陀螺仪的测量灵敏度。当音叉在平面内以线速度一。·振动时,这里,。为振动频率,为振动幅值,如果基©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net仪器仪表学报第卷片沿垂直于的方向在平面内有惯性角速度出现,那么,在哥氏力的作用下,音叉的一个质量向上运动,另一个质量向下运动。两质量下方的电容器用来检测音叉的位移,并通过再平衡回路产生静电平衡力。音叉工作模式,叉子的两个质量反向运动,产生增强的陀螺信号,同时不敏感线加速度。为了优化分辨率和带宽,谐振驱动和敏感轴模式的特征频率应相差驱动频率的。折叠式悬臂析架保证音叉反平行模式激励,而平移模式衰减。音叉模式的特征频率高于平移模式的特征频率。分开的特征频率使得音叉模式即使在...
