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栅结构微机械振动式陀螺

熊斌  
【摘要】: 本论文工作主要围绕所发明的一种无需真空封装,可在大气环境下工作的微 机械陀螺开展,进行了器件的设计、制作及其特性研究。 本论文通过分析微机械陀螺运动特性,得出如下结论:微机械陀螺要同时具 有高带宽和高灵敏度性能,它的驱动模态固有频率和检测模态固有频率必须有一 定的偏差;同时它的驱动模态和检测模态的阻尼要尽可能相同并尽可能小。 对陀螺静电驱动的分析表明,具有栅结构的微机械陀螺,可以运用切向静电 力驱动敏感质量块振动,并利用电容面积变化引起电容改变来检测敏感质量块的 运动。其法向静电力对器件特性的影响可以忽略。 栅结构微机械陀螺的空气阻尼分析表明,陀螺的驱动模态和检测模态受到的 空气阻尼主要是滑膜空气阻尼,因此陀螺系统的驱动模态和检测模态的阻尼力系 数较小,并且两者的品质因子接近。 设计完成了栅结构微机械陀螺测试电路,建立了栅结构微机械振动式陀螺的 等效电路模型;运用该模型对检测电路进行了行为级模拟,验证了陀螺检测电路 的功能,确定了电路各个模块的参数。模拟结果表明栅结构微机械陀螺检测电路 的设计是切实可行的。栅结构微机械陀螺等效电路模型的建立为今后陀螺检测电 路的优化设计带来了方便。 制作完成了栅结构微机械振动式陀螺。用自建的陀螺性能测试系统,对制作 完成的栅结构微机械陀螺进行了振动模态、角速度响应特性和陀螺机械耦合特性 的测试。栅结构微机械振动式陀螺性能测试结果表明,该陀螺在大气条件下,栅 结构微机械陀螺的标度因子和非线性分别为20mV/o/s和0. 56%,角速度测量范 围为± 300°/s。器件特性测试结果表明,本人发明的栅结构微机械振动式陀螺 在大气下工作是切实可行的,由于驱动模态和检测模态具有相近且较高的品质因 子,因而可以有较大的带宽和较高的灵敏度。


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