蝶翼式硅微陀螺靜電力控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、陀螺儀是測量物體旋轉(zhuǎn)角速度的傳感器，是慣性導航與制導系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件之一，廣泛應用于消費電子、醫(yī)療電子、汽車電子、航空航天、兵器等領(lǐng)域。隨著對微電子機械系統(tǒng)（MEMS）的深入研究和取得的進展，硅微機械陀螺已成為近二十年內(nèi)的廣泛研究和發(fā)展的主題。蝶翼式硅微陀螺是一種基于哥氏效應的角振動硅微機械陀螺，結(jié)構(gòu)設計巧妙，工藝相對簡單，具有靈敏度高、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點，具備成為高性能硅微陀螺的良好潛質(zhì)。國外對高性能硅微陀螺的研究得到長足發(fā)展，但對我

2、國實行產(chǎn)品和技術(shù)的嚴格封鎖，并且我國目前硅微陀螺的整體水平還不能完全滿足相關(guān)需求。因此開展蝶翼式硅微機械陀螺關(guān)鍵技術(shù)的研究，對于加速和促進我國新型慣性測量元件發(fā)展具有很重要的戰(zhàn)略意義。
　　蝶翼式硅微陀螺是一個非常復雜的機電耦合系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)精度容易受設計水平、制造誤差等條件限制，同時在工程應用中又會面臨溫度變化、固件振動、加速度沖擊等復雜環(huán)境，性能提升受到諸多限制。本論文圍繞蝶翼式微陀螺靜電力控制關(guān)鍵技術(shù)開展研究，重點突破正交誤差

3、形成機理、靜電力控制等關(guān)鍵科學問題，為我國發(fā)展高性能硅微機電陀螺提供新的控制理論和誤差補償方法。主要研究內(nèi)容如下：
　　1、介紹了蝶翼式硅微陀螺的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，推導了蝶翼式硅微陀螺的驅(qū)動力矩和哥氏力矩。根據(jù)蝶翼式硅微陀螺在驅(qū)動和檢測軸向的受力情況分析，建立了理想情況下蝶翼式硅微陀螺基本動力學方程，得到了機械靈敏度解析表達式。針對蝶翼式硅微陀螺驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的穩(wěn)態(tài)響應進行了分析，分別總結(jié)了驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的穩(wěn)態(tài)響應特點。

4、
　　2、根據(jù)蝶翼式硅微陀螺的結(jié)構(gòu)特點以及工作原理，采用靜電驅(qū)動-電容檢測的工作方式設計了微弱電容檢測電路，并基于雙正弦載波的微弱電容檢測方法成功地實現(xiàn)了驅(qū)動信號和檢測信號的分離。基于相位控制技術(shù)以及 PID振動幅值控制技術(shù)設計了閉環(huán)驅(qū)動電路。介紹了檢測開環(huán)控制電路與角速度解調(diào)電路。通過分析計算，最終得出了蝶翼式硅微陀螺角速度輸出信號的理論模型。最后針對電路核心器件—解調(diào)器進行了設計。
　　3、分別從原理性誤差以及加工誤差兩

5、個方面分析蝶翼式硅微陀螺零偏穩(wěn)定性產(chǎn)生機理。從剛度矩陣角度研究了蝶翼式硅微陀螺彈性系統(tǒng)的變形誤差以及支撐梁的加工誤差等不等彈性運動誤差。研究了蝶翼式硅微陀螺的正交誤差對零偏輸出的影響機理。正交誤差在微陀螺運動方程中體現(xiàn)為驅(qū)動軸向與檢測軸向直接耦合剛度系數(shù)Kyx。當微陀螺工作環(huán)境溫度變化時，導致微陀螺彈性系統(tǒng)耦合剛度系數(shù)變化，最終引起微陀螺系統(tǒng)零偏輸出信號發(fā)生變化，嚴重制約蝶翼式硅微陀螺性能的提升。
　　4、根據(jù)耦合剛度系數(shù)對零偏輸

6、出的影響機理，針對系統(tǒng)剛度受工作環(huán)境溫度等因素干擾的問題，在分析現(xiàn)有提升零偏穩(wěn)定性方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，研究了靜電剛度平衡控制技術(shù)，并設計了蝶翼式硅微陀螺檢測環(huán)路半閉環(huán)控制方案。從而可有效避免包括溫變在內(nèi)的各種工作環(huán)境因素變化對耦合剛度的影響，有效提升蝶翼式硅微陀螺零偏穩(wěn)定性以及其它相關(guān)性能指標。對改進前后的蝶翼式硅微陀螺標度因數(shù)以及零偏穩(wěn)定性等性能參數(shù)進行了對比測試。結(jié)果表明，改進后的蝶翼式硅微陀螺整體性能得到明顯提升。零偏穩(wěn)定性從89

7、°/h提升為17°/h，性能改進80.9％。
　　5、針對正交誤差幅值過大會嚴重影響前置運算放大器增益的問題，基于靜電力平衡技術(shù)，設計了蝶翼式硅微陀螺檢測環(huán)路全閉環(huán)控制方案，從而可有效避免包括正交誤差在內(nèi)的各種動態(tài)誤差信號對前置運放增益的干擾，有效提升微陀螺檢測模態(tài)輸出信號中有用信號的信噪比，提升微陀螺各項性能指標。對改進前后的蝶翼式硅微陀螺標度因數(shù)以及零偏輸出特性進行了對比測試。結(jié)果表明，改進后的蝶翼式硅微陀螺整體性能得到明顯提