一种高性能的硅微谐振陀螺

　　1　引言

　　微机械陀螺是80年代后期发展起来的一种新型陀螺,它具有体积小、质量轻、功耗低、抗过载能力强、适用于较恶劣的环境等优点。因此,微机械陀螺可广泛应用于汽车牵引控制系统、行驶稳定系统、摄像机稳定系统、飞机稳定系统、计算机的惯性鼠标以及军事等领域^[1] 。目前,世界上许多研究单位、公司都在结合自己国内的加工手段及信号检测措施对微机械陀螺展开研究。微机械陀螺的种类很多,按驱动方式可分为静电驱动陀螺^[2] 、电磁驱动陀螺^[3] 和压电驱动陀螺^[4-5] 等;按检测方式可分成电容式陀螺^[6-7] 、谐振式陀螺^[8] 、压阻式陀螺^[9] 、压电式陀螺^[10-11] 、光学陀螺^[12-13] 和隧道陀螺^[14] 等。相比于其他类型的微机械陀螺,谐振式微机械陀螺具有高灵敏度、大动态范围等特点,其准数字输出也使其更易于与数字信号处理系统集成^[15] 。

　　本文提出了一种新颖的谐振式陀螺,其框架结构和特殊设计的杠杆机构可以实现自解耦;利用质量块外置、杠杆机构和双DETF可以实现高灵敏度。

　　2　工作原理及理论公式

　　2.1　工作原理

　　陀螺结构如图1所示,其主要组成部分为:内外质量块、支撑梁、折叠梁、杠杆放大机构、双DETF、质量块驱动梳齿、DETF驱动和检测梳齿。该陀螺的工作原理是:外质量块通过梳齿驱动,在驱动方向作往复运动。由于科式效应,当陀螺受到外加角速度时,外质量块会产生科氏力,该科氏力通过折叠梁传入内质量块,然后被杠杆机构放大作用于DETF一端,从而改变DETF的固有频率。因此,通过解调正弦输出频率,可以得到外界输入的角速度。

　　2.2　理论公式

　　谐振式微机械陀螺主要理论公式包括:驱动力的计算、科式力的给出和DETF谐振频率的计算。外质量块的驱动力可以描述为:

　　其中,N为驱动梳齿的对数,h和g分别为梳齿的厚度和间隙, Vdc和Voc是驱动电压的直流和交流分量的有效值,ω ₀是驱动电压的角频率。

　　科氏力计算式为:

　　其中,M为质量块质量,v为相对速度,Ω为外加角速度。

　　(2)式中变化的相对速度为:

　　其中,y为位移,y ₀为位移振幅,ω ₀为驱动频率。

　　由于v和Ω相互垂直,若Ω为一恒值,F代数值如公式(5)所示:

　　用能量法可得到受轴向力且有附加质量时DETF的谐振频率为: