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一种压阻式微机械陀螺的研究

陈雪萌  
【摘要】:微机械陀螺是一种测量角速度或角位移的惯性传感器,具有体积小,可靠性高,价格便宜的优点,在汽车,电子和惯性导航领域有很大的潜力。微机械陀螺常见的检测方式有电容式和压阻式。与电容式陀螺相比,虽然压阻式陀螺的结构和接口电路比较简单,但是,比较低的灵敏度和压阻固有的温度效应极大地限制了它的应用。 本论文的主要工作是设计,制造,封装并测试了一种崭新的类音叉压阻式检测微机械陀螺。不但灵敏度比较高,而且能实现压阻系数的片上温度自补偿。陀螺采用静电驱动,压阻检测的工作方式,在大气下工作。用来检测Coriolis加速度的检测部分是悬臂梁—质量块结构的一种变形,用高强度的主悬臂梁保证机械强度和高谐振频率,极细小的微梁压阻检测Coriolis加速度引起的应力变化,并用微梁直拉直压理念优化微梁位置,获得高灵敏度。 利用一个压阻四端器件,开发了压阻系数温度效应的片上自补偿技术。温度补偿的方法是用驱动振幅的改变弥补温度变化对压阻系数的影响。温度补偿前的陀螺灵敏度温度系数是-0.235%,补偿后下降为-0.028%。 在制造过程中,采用先进的DRIE工艺。用普通硅片替代SOI硅片,实现了双面DRIE刻蚀,降低了工艺难度,简化了工艺步骤,显著降低了成本。 根据推导的压阻式陀螺的信号检测原理开发了一种简单的接口电路。陀螺的测试结果表明,陀螺的角速度灵敏度是21μv/°/s,噪声限制的角速度分辨率0.33°/s。陀螺检测部分两个加速度计的灵敏度分别为14.80mv/5V/g和14.49mv/5V/g,Q值分别是58和42,谐振频率分别是989Hz和990Hz。 本文开发的压阻式微机械陀螺具有进一步提高灵敏度的潜力,温度自补偿的设计极大的降低了压阻的温度效应。考虑到压阻式检测微机械陀螺比较简单的接口电路和比电容式检测具有更高的抗电磁干扰特性,本文开发的压阻式陀螺存在着广阔的实用前景。


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