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微機械陀螺阻尼特性及正交誤差抑制研究

文章來源:科技信息中心編輯室   時間:2019-06-03 訪問數:

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為提高微陀螺的機械品質因子Q值及其檢測靈敏度,通常采用真空封裝,但是在長期貯存條件下,由于漏率的影響,器件的內部氣壓變化(漏氣是緩慢過程,且不可逆轉)會導致器件性能下降甚至失效。因此針對高可靠性應用場合,需研究低Q值微陀螺。

采用低Q值微陀螺方案,可以降低對驅動/檢測模態頻率匹配的要求程度,因為頻率失配通常是由于加工誤差造成的,也即降低了工藝要求。但是微加工的相對加工誤差大,仍然會產生機械耦合誤差,該誤差存在于陀螺的輸出信號中,即所謂的正交誤差。為提高器件性能,需要對正交誤差進行分析及抑制。

1  Q值表芯結構設計

為實現結構在常壓下驅動模態諧振以及哥氏力檢測,設計了變交疊面積的梳齒結構,如圖1所示,采用解析及數值模擬方法分析了表芯結構所受氣膜阻尼的影響。結果表明,表芯微結構主要受斯托克斯流(stokes flow)阻尼作用,圖2顯示了各種阻尼的占比,表1給出了具體阻尼系數量值。以驅動幅值為設計約束,綜合考慮靜電力和阻尼力,對結構優化設計,設計結果為:驅動幅值5 μm,機械品質因子200。

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2  正交抑制

如圖3所示,采用有限元方法,計算由于工藝誤差導致的梁寬不等所引起耦合剛度,結果表明目前工藝條件下的結構耦合剛度約為0.15 N/m。采用圖4的抑制結構,可提供1.2 N/m的靜電力負剛度,足夠抵消耦合剛度。

微機械陀螺阻尼特性及正交誤差抑制研究

5給出了陀螺解調電路框圖,高頻載波采用二極管實現自適應解調,陀螺的輸出正交信號及輸出信號由開關解調實現。

6是制作的樣機,非真空封裝,量程±360(°)/s,非線性度0.9%。

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